Quali sistemi criogenici sono adatti per qubit superconduttori?


Risposte:


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Un frigorifero a diluizione è l'unico modo per raffreddare qubit superconduttori fino a 10 millikelvin?

Esiste un altro tipo di frigorifero che può arrivare a 10 mK: il frigorifero adiabatico per smagnetizzazione (ADR). [un']

perché la refrigerazione a diluizione è il metodo principale?

Per capirlo, parliamo di uno dei principali limiti dell'ADR.

Come funziona un ADR

Un ADR di solito arriva a circa 3K con un compressore ad elio. Quel compressore può funzionare continuamente, quindi il frigorifero può rimanere a 3K indefinitamente. Per scendere a temperature mK, l'ADR funziona in questo modo:

  1. Solleva il campo magnetico che circonda un solido con spin nucleari. Questo allinea i giri.
  2. Disattiva lentamente il campo. Ciò consente agli spin di randomizzare la loro direzione, che assorbe l'entropia dall'ambiente circostante e abbassa la temperatura.
  3. Una volta che il campo è tornato a zero, abbiamo aspirato abbastanza calore dall'ambiente circostante per portarli a temperature mK.

Limitazioni ADR

Questo è tutto fantastico e funziona davvero, ma è un processo "one-shot". Una volta che il campo è a zero, non puoi scendere più in basso. Il calore proveniente dall'ambiente circostante, come le parti esterne del frigorifero a temperatura ambiente, perde calore nella parte che stai cercando di mantenere freddo, e poiché abbiamo già ridotto il campo magnetico a zero, non possiamo fare nulla per rimuovere quel caldo. Pertanto, dopo aver raffreddato l'ADR, inizia a riscaldarsi (si spera abbastanza lentamente da eseguire l'esperimento).

È tipico che un ADR rimanga al di sotto di 100mK per forse dodici ore, anche se quel numero dipende molto dal numero di fili che corrono verso la parte fredda dell'ADR. Dopo che la temperatura supera quella desiderata, è necessario aumentare nuovamente il campo magnetico e abbassarlo lentamente per raffreddarlo nuovamente. Alzare e abbassare il campo richiede un po 'di tempo e riscalda il frigorifero, e quel grande campo magnetico è spesso incompatibile con gli esperimenti di qubit superconduttori, quindi non puoi eseguire esperimenti mentre ti trovi in ​​quella fase del processo.

Frigorifero ADR vs. diluizione

Il frigorifero di diluizione, invece, funziona continuamente, quindi hai tutto il tempo necessario per eseguire l'esperimento. Questa è una ragione piuttosto grande che sono di uso comune. Si noti, tuttavia, che altri frigoriferi oltre all'ADR sono utilizzati in molti laboratori qubit superconduttori per attività in cui non sono necessari i benefici di un frigorifero per diluizione e il tempo di raffreddamento più breve di un ADR è ok. Ad esempio, gli ADR sono comuni per esperimenti con risonatori superconduttori, che vengono utilizzati per testare la qualità dei materiali che potrebbero essere successivamente utilizzati per un qubit.

[un'] : scuse per non aver trovato un collegamento migliore. Le modifiche sono benvenute.


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In questa immagine , sembra che ci siano fili di corrente molto elevata che avrebbero senso solo se fossero coinvolti elettromagneti; questo significherebbe che IBM sta usando ADR (almeno al momento della stesura dell'articolo in cui ho trovato l'immagine)?
erica

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@heather A me sembra un frigorifero a diluizione. Quelle enormi trecce di rame sono una specie di isolatori meccanici. Penso che siano in rame per mantenere il telaio del criostato tutti alla stessa tensione ed evitare correnti di terra. Il filo ventoso del nastro che sembra bello al centro è in realtà un tubo pieno di miscela di elio-4 ed elio-3. Il tubo centrale attorno al quale è avvolto è la parte fredda di un compressore che arriva a ~ 3 Kelvin. Il tubo più sottile viene avvolto per pre-raffreddare la miscela di elio mentre si dirige verso la camera di miscelazione dove arriva a 10 mK.
DanielSank

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@heather Il supporto non è per la messa a terra, ma per il collegamento di calore tra la testa fredda del dispositivo di raffreddamento del pulsetube, che raffredda i due schermi esterni fino a 4K e 1K rispettosamente. Cupper è un ottimo conduttore di calore, la flessibilità è per il disaccoppiamento meccanico dalle vibrazioni dei tubi a impulsi.
Johu,
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