Quali sistemi criogenici sono adatti per qubit superconduttori?

Un frigorifero a diluizione è l'unico modo per raffreddare qubit superconduttori fino a 10 millikelvin? In caso contrario, quali altri metodi esistono e perché la refrigerazione a diluizione è il metodo principale?

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). $^{[a]}$

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.

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