Qu'est-ce que Réfrigérateur à dilution (cryostat à dilution) ?

Réfrigérateur qui utilise un mélange d'hélium 3 et d'hélium 4 pour produire en continu des températures cryogéniques d'environ 10 mK. On l'utilise pour faire fonctionner les qubits supraconducteurs et les qubits de spin en silicium. La puissance frigorifique de son étage le plus froid est faible, de l'ordre d'un peu plus de dix à quelques dizaines de µW, si bien que la chaleur qui arrive par le câblage est un défi pour le passage à l'échelle.

Nom japonais: 希釈冷凍機

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Domaine: Matériel des ordinateurs quantiques

Principe du refroidissement

En dessous d'environ 0,87 K, un mélange d'hélium 3 et d'hélium 4 se sépare en une phase riche en hélium 3 et une phase d'hélium 4 contenant un peu d'hélium 3 dissous. Quand l'hélium 3 passe (se dilue) de la phase concentrée vers la phase diluée, il absorbe de la chaleur, un peu comme un liquide qui s'évapore. En pompant en continu l'hélium 3 hors de la phase diluée pour le renvoyer dans la phase concentrée, on entretient cette absorption de chaleur, ce qui refroidit l'étage à environ 10 mK. Pour le prérefroidissement, on utilise largement des cryoréfrigérateurs à tube pulsé qui descendent à environ 4 K.

Étages de température et câblage

À l'intérieur du réfrigérateur, des plateaux à différentes températures sont empilés sur plusieurs étages, par exemple vers 50 K, vers 4 K, autour de 1 K, vers 100 mK et l'étage le plus froid vers 10 mK. Les lignes coaxiales de commande des qubits descendent en passant par des atténuateurs à chaque étage pour réduire le bruit thermique venant de la température ambiante. Les signaux de lecture sont amplifiés par des amplificateurs cryogéniques et des amplificateurs HEMT à l'étage de 4 K avant de remonter à température ambiante. À titre indicatif, la puissance frigorifique est d'environ 1 W à l'étage de 4 K et d'un peu plus de dix à quelques dizaines de µW vers 20 mK à l'étage le plus froid.

Défis du passage à l'échelle

Même à la limite de Carnot, extraire 1 µW de chaleur à 10 mK demande environ 30 mW de travail : traiter la chaleur coûte donc plus cher aux étages les plus froids. À mesure que l'on ajoute des qubits, les plateformes qui ont besoin de plusieurs lignes par qubit voient le nombre de câbles et la charge thermique augmenter rapidement : on développe donc le multiplexage en fréquence, des câblages souples à conducteurs multiples et des circuits de commande cryo-CMOS à l'étage de 4 K. On cherche aussi à construire des réfrigérateurs plus grands et à relier plusieurs réfrigérateurs entre eux.

S'entraîner : questions sur Réfrigérateur à dilution (cryostat à dilution)

Quelle est la raison principale pour laquelle les qubits supraconducteurs sont refroidis à environ 10 à 20 mK dans un réfrigérateur à dilution ?

  1. APour rendre supraconducteurs le câblage et les jonctions, et pour rendre suffisamment faibles l'excitation thermique des qubits et le bruit thermique
  2. BParce que le refroidissement élargit la bande interdite du silicium et élève la fréquence du qubit
  3. CParce que la mobilité des électrons augmente à basse température, ce qui rend les opérations de porte 1000 fois plus rapides qu'à température ambiante
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Réponse : A. Pour rendre supraconducteurs le câblage et les jonctions, et pour rendre suffisamment faibles l'excitation thermique des qubits et le bruit thermique

L'aluminium utilisé dans les transmons devient supraconducteur en dessous d'environ 1,2 K, ce qui supprime les pertes résistives. De plus, l'énergie hf d'un qubit de fréquence voisine de 5 GHz correspond à une température d'environ 0,24 K : si l'énergie thermique kT n'est pas rendue bien plus petite que cette valeur, le qubit est excité thermiquement vers |1⟩ et du bruit thermique arrive par le câblage. La température de l'hélium liquide, environ 4 K, ne suffit donc pas, et les qubits sont refroidis à environ 10 mK par un réfrigérateur à dilution qui utilise un mélange d'hélium 3 et d'hélium 4. La vitesse d'un qubit n'est pas fixée par la mobilité, et les qubits supraconducteurs n'utilisent pas la bande interdite du silicium.

Questions fréquentes

Pourquoi la température de l'hélium liquide (environ 4 K) ne suffit-elle pas ?

L'énergie hf d'un qubit de 5 GHz correspond à une température d'environ 0,24 K, et à 4 K l'énergie thermique kT en vaut environ 17 fois plus, si bien que le qubit serait excité thermiquement. Pour rendre l'excitation thermique négligeable, il faut le refroidir bien en dessous de 0,24 K, à quelques dizaines de mK ou moins.

À quoi servent les réfrigérateurs à dilution en dehors des ordinateurs quantiques ?

On les utilise depuis longtemps dans les recherches en physique qui exigent des températures cryogéniques, comme l'étude des propriétés des matériaux à basse température, les détecteurs supraconducteurs pour l'observation astronomique et les détecteurs pour la recherche de matière noire. Les progrès de la recherche en informatique quantique ont stimulé le développement de réfrigérateurs plus grands et dotés de plus de câblage.

« Réfrigérateur à dilution (cryostat à dilution) » dans les explications

Questions mentionnant « Réfrigérateur à dilution (cryostat à dilution) » (3)

  1. Quelle est la raison principale pour laquelle les qubits supraconducteurs sont refroidis à environ 10 à 20 mK dans un réfrigérateur à dilution ?
  2. Quelle valeur est la plus proche de la puissance minimale exigée par la limite de Carnot pour extraire 1 µW de chaleur d'un étage à 10 mK et la rejeter à 300 K ?
  3. Quelle comparaison des plateformes supraconductrices et à ions piégés est la plus appropriée ?

Termes associés

Qubit (bit quantique) Transmon Bruit thermique (bruit de Johnson) Mobilité Bande interdite (bandgap) Piège à ions (ion trap) Algorithme de Shor Code de surface (surface code) Correction d'erreurs quantiques (QEC) Cryptographie post-quantique (PQC)

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