헬륨3과 헬륨4의 혼합액을 사용하여 10 mK 정도의 극저온을 연속으로 만들어 내는 냉동기. 초전도 큐비트나 실리콘 스핀 큐비트의 동작에 쓰인다. 가장 차가운 단의 냉각 능력은 십수~수십 µW 정도로 작으므로, 배선으로부터의 열 유입이 대규모화의 과제가 된다.
일본어 명칭: 希釈冷凍機
희석 냉동기(Dilution Refrigerator)은(는) 양자 컴퓨터의 하드웨어 등 1개 분야의 연습 문제 3개에 나와요.
분야: 양자 컴퓨터의 하드웨어
헬륨3과 헬륨4의 혼합액은 약 0.87 K 이하에서 헬륨3을 많이 포함한 층과, 헬륨3이 묽게 녹아 있는 헬륨4의 층으로 나뉩니다. 헬륨3이 진한 층에서 묽은 층으로 녹아 들어갈(희석될) 때, 액체가 증발할 때처럼 열을 흡수합니다. 묽은 층에서 헬륨3을 펌프로 퍼내어 진한 층으로 계속 되돌림으로써 이 흡열을 연속으로 일으켜, 10 mK 정도까지 냉각합니다. 앞단의 냉각에는 펄스관 냉동기 등으로 약 4 K까지 냉각하는 방식이 널리 쓰이고 있습니다.
냉동기 안은 약 50 K, 약 4 K, 약 1 K 안팎, 약 100 mK, 가장 차가운 약 10 mK 단처럼 온도가 다른 판이 여러 단으로 겹쳐 있습니다. 큐비트로 가는 제어용 동축 케이블은 각 단에서 감쇠기를 거쳐 실온에서 오는 열잡음을 줄이면서 내려 보냅니다. 판독 신호는 극저온 증폭기나 4 K 단의 HEMT 증폭기로 증폭한 다음 실온으로 되돌립니다. 냉각 능력의 기준은 4 K 단에서 1 W 정도, 가장 차가운 단에서는 20 mK 부근에서 십수~수십 µW 정도입니다.
카르노 한계에서도 10 mK에서 1 µW의 열을 퍼내는 데 약 30 mW의 일이 필요하여, 저온 단일수록 열 처리 비용이 커집니다. 큐비트가 늘어나면, 큐비트 하나당 여러 개의 배선이 필요한 방식에서는 케이블 개수와 열 유입이 급격히 늘어나므로, 주파수 다중화, 유연한 다심 배선, 4 K 단에 두는 크라이오 CMOS 제어 회로 등의 궁리가 진행되고 있습니다. 냉동기 자체를 대형화하거나 여러 냉동기를 연결하는 시도도 있습니다.
정답: A. 배선이나 접합을 초전도 상태로 만들고, 열에 의한 큐비트의 들뜸이나 열잡음을 충분히 작게 하기 위해
트랜스몬에 쓰는 알루미늄은 약 1.2 K 이하에서 초전도가 되어 저항에 의한 손실이 없어집니다. 게다가 주파수 5 GHz 정도인 큐비트의 에너지 hf를 온도로 환산하면 약 0.24 K이므로, 열에너지 kT가 이보다 충분히 작아질 때까지 냉각하지 않으면 열에 의해 |1⟩로 들뜨거나 배선으로부터 열잡음이 들어오거나 합니다. 그래서 액체 헬륨 온도인 약 4 K로는 부족하며, 헬륨3과 헬륨4의 혼합액을 사용하는 희석 냉동기로 10 mK 정도까지 냉각합니다. 큐비트의 속도는 이동도로 정해지지 않으며, 초전도 큐비트는 실리콘의 밴드갭도 사용하지 않습니다.
5 GHz 큐비트의 에너지 hf는 온도로 환산하면 약 0.24 K이며, 4 K에서는 열에너지 kT가 그 약 17배가 되어 큐비트가 열로 들뜨게 되기 때문입니다. 열에 의한 들뜸을 무시할 수 있으려면 0.24 K보다 충분히 낮은 수십 mK 이하까지 냉각해야 합니다.
저온에서의 물질 성질 연구, 우주 관측 등에 쓰는 초전도 검출기, 암흑 물질을 찾는 실험의 검출기 등 극저온이 필요한 물리 연구에서 예전부터 쓰여 왔습니다. 양자 컴퓨터 연구가 진전되면서 대형이고 배선이 많은 냉동기의 개발이 진행되고 있습니다.
그래서 액체 헬륨 온도인 약 4 K로는 부족하며, 헬륨3과 헬륨4의 혼합액을 사용하는 희석 냉동기로 10 mK 정도까지 냉각합니다.
초전도 큐비트를 희석 냉동기로 10~20 mK 정도까지 냉각하여 동작시키는 주된 이유는?실제 희석 냉동기에서 가장 차가운 단의 냉각 능력은 20 mK 부근에서 십수~수십 µW 정도가 기준으로, 4 K 단(1 W 정도)보다 훨씬 작으므로, 배선으로부터의 열 유입이나 회로의 발열은 되도록 온도가 높은 단에서 처리합니다.
10 mK 단에서 1 µW의 열을 퍼내어 300 K로 버릴 때, 카르노 한계에서 필요한 최소 일률에 가장 …초전도 방식에는 희석 냉동기가, 이온 트랩 방식에는 초고진공과 레이저가 필요합니다.
초전도 방식과 이온 트랩 방식을 비교한 설명으로 가장 적절한 것은?큐비트(Qubit) 트랜스몬(Transmon) 열잡음(존슨 잡음) 이동도 밴드갭(Bandgap) 이온 트랩(Ion Trap) 결어긋남(Decoherence) 쇼어 알고리즘(Shor's Algorithm) 스핀 큐비트(Spin Qubit) 양자 게이트(Quantum Gate)