IBM研发出世界上实验容积最大的稀释制冷机“黄金眼”

去年IBM公布了他们的“黄金眼(Goldeneye)项目”：为量子计算机造一台前所未有的超大稀释制冷机(俗称冰箱，科学家也叫它大桶)——包含1.7立方米的实验容积，可以将比三个家庭厨房冰箱更大的容积冷却到比外太空更冷的温度，而以前的制冷机在0.4-0.7立方米的范围内。这是世界上实验容积最大的稀释冰箱。

近日，IBM终于宣布成功地将“黄金眼”冷却到工作温度(~25 mK)，并在内部连接了一个量子处理器[1]。黄金眼将很快转移到位于纽约的IBM量子计算中心，该中心正在探索大型低温系统，以最好地满足未来量子数据中心的冷却需求，例如正在开发的用于IBM System Two的Bluefors Kide平台。IBM表示，“我们希望它的创新设计，着眼于易用性，将激发下一代真空和低温制冷技术。”

稀释制冷机是一种实验性低温设备，使用两种氦同位素(氦-3和氦-4)的混合物，将空间容积冷却到毫开尔文(mK)范围，即绝对零度(-273.15℃)以上千分之几度。

稀释制冷机通过使用多个步骤从氦同位素混合物中去除热量来进行冷却，然后使用真空泵将氦-3循环并稀释到氦-3/氦-4混合物中，直到达到目标温度。早期阶段，所有稀释制冷机都是“湿”系统，需要像液氮和其他低温液体这样已经很冷的物质来开始冷却。今天的制冷机更常见的是“干燥的”，即无液氦稀释制冷机：采用一种称为低温冷却器的机械部件，提供初始50 K和4 K的温度，用于预冷却氦混合物。

这些都是先进的机器，因此很难扩大规模。“黄金眼”项目采用了全新的框架和低温恒温器结构——负责冷却的主要桶形组件——以最大限度地增加实验容积，同时降低噪声，达到冷却实验量子硬件所需的温度。该设计是模块化的，这使得原型设计、组装和拆卸对于一个由四名IBM工程师组成的团队来说更容易。其他大型稀释制冷机可能需要更大的起重机和十几名或更多的技术人员进行组装和拆卸。

低温恒温器还具有蛤壳式设计，允许外部真空室侧向打开，无需移除整个外壳即可接触内部硬件。如今大多数稀释制冷机都需要一组操作员才能正常工作，但黄金眼的全自动系统包括一个专门设计的悬臂起重机，未来甚至可以一个人操作冰箱——这可以在开源可视化平台的帮助下远程监控。

低温恒温器的内部能够安装一组10个内部板(internal plates)，用于在其上半部和下半部安装组件：五个“常规”单元在顶部，五个倒置单元在底部。它还可以容纳多达六个单独的稀释制冷机单元，在100 mK温度下能够实现近10 mW的冷却功率，在4 K温度下能够实现超过24 W的冷却功率。最后，整个系统的重量(6.7公吨)也有助于抑制振动，减少了对其他常用抑制技术的需求。

最重要的是，IBM表示，它是有效的。从项目开始到目前的25 mK里程碑，仅仅过了三年，就能够将量子比特芯片放入其中。

这项测试完成了对量子比特频率和相干时间的测量，通过观察一个量子比特展示了黄金眼的性能。相干时间450微秒，相当于在其他商用稀释制冷系统上测得的相干时间。尽管不同的内部环境和更大的实验容积，也没有观察到量子比特性能的下降。

IBM表示，尽管它很大，但是很高效。容纳等量的量子硬件，它比现在的大型稀释制冷机需要更少的空间。在当今最先进的制冷机中部署同等硬件需要10倍的实验室空间。

IBM也表示，“我们不知道用于冷却未来量子计算机的制冷机是否真的会这么大。但黄金眼可以使我们可以考虑许多不同的方式来扩展我们的量子处理器，甚至在2025年之后，并将帮助我们进一步概念化未来量子数据中心的低温基础设施。最重要的是，每当我们突破一个技术边界，我们都会学到一些新的东西。通过简单地构建黄金眼，我们团队测试了低温科学的极限，同时告诉我们什么样的大规模量子实验可能很快就可行。随着我们继续为世界绘制量子路线图，从这个项目中学到的经验可能会用于未来的IBM Quantum System 3。”