Was ist Verdünnungskryostat (Dilution Refrigerator)?

Kältemaschine, die mit einem Gemisch aus Helium-3 und Helium-4 dauerhaft kryogene Temperaturen von etwa 10 mK erzeugt. Sie wird zum Betrieb supraleitender Qubits und von Silizium-Spin-Qubits eingesetzt. Die Kühlleistung ihrer kältesten Stufe ist mit grob zehn bis einigen zehn µW klein, daher ist die über die Verdrahtung einströmende Wärme eine Herausforderung für die Skalierung.

Japanische Bezeichnung: 希釈冷凍機

Fachgebiet: Hardware für Quantencomputer

Wie die Kühlung funktioniert

Unterhalb von etwa 0,87 K trennt sich ein Gemisch aus Helium-3 und Helium-4 in eine an Helium-3 reiche Phase und eine Helium-4-Phase, in der wenig Helium-3 gelöst ist. Geht Helium-3 aus der konzentrierten in die verdünnte Phase über (wird es verdünnt), nimmt es Wärme auf, ähnlich wie eine verdampfende Flüssigkeit. Indem Helium-3 laufend aus der verdünnten Phase abgepumpt und in die konzentrierte Phase zurückgeführt wird, hält diese Wärmeaufnahme an und kühlt die Stufe auf etwa 10 mK. Zur Vorkühlung sind Pulsröhrenkühler verbreitet, die auf etwa 4 K kühlen.

Temperaturstufen und Verdrahtung

Im Inneren des Kryostaten sind Platten unterschiedlicher Temperatur in mehreren Stufen übereinander angeordnet, etwa bei etwa 50 K, etwa 4 K, um 1 K, etwa 100 mK und die kälteste Stufe bei etwa 10 mK. Koaxiale Steuerleitungen zu den Qubits werden auf jeder Stufe durch Dämpfungsglieder nach unten geführt, um thermisches Rauschen von Raumtemperatur zu verringern. Auslesesignale werden durch kryogene Verstärker und HEMT-Verstärker auf der 4-K-Stufe verstärkt, bevor sie zur Raumtemperatur zurückkehren. Als grober Richtwert beträgt die Kühlleistung etwa 1 W auf der 4-K-Stufe und etwa zehn bis einige zehn µW bei 20 mK auf der kältesten Stufe.

Herausforderungen bei der Skalierung

Selbst an der Carnot-Grenze erfordert es etwa 30 mW Arbeit, 1 µW Wärme aus 10 mK abzupumpen; die Wärmeabfuhr wird daher auf kälteren Stufen teurer. Mit wachsender Qubit-Zahl steigen bei Plattformen, die mehrere Leitungen pro Qubit brauchen, die Zahl der Kabel und der Wärmeeintrag schnell an; daher werden Frequenzmultiplexing, flexible Mehrleiterverdrahtung und Kryo-CMOS-Steuerschaltungen auf der 4-K-Stufe entwickelt. Es gibt auch Bestrebungen, größere Kryostaten zu bauen und mehrere Kryostaten miteinander zu verbinden.

Häufige Fragen

Warum reicht die Temperatur von flüssigem Helium (etwa 4 K) nicht aus?

Die Energie hf eines 5-GHz-Qubits entspricht einer Temperatur von etwa 0,24 K, und bei 4 K ist die thermische Energie kT etwa 17-mal so groß; das Qubit würde also thermisch angeregt. Damit die thermische Anregung vernachlässigbar wird, muss deutlich unter 0,24 K gekühlt werden, auf einige zehn mK oder weniger.

Wofür werden Verdünnungskryostaten außer für Quantencomputer verwendet?

Sie werden seit Langem in der physikalischen Forschung eingesetzt, die kryogene Temperaturen erfordert, etwa bei Untersuchungen der Materialeigenschaften bei tiefen Temperaturen, bei supraleitenden Detektoren für astronomische Beobachtungen und bei Detektoren für die Suche nach Dunkler Materie. Die Fortschritte der Quantencomputerforschung haben die Entwicklung größerer Kryostaten mit mehr Verdrahtung vorangetrieben.