Nederlands
Menu

Wat is Verdunningskoeler (dilution refrigerator)?

Koelmachine die met een mengsel van helium-3 en helium-4 continu cryogene temperaturen van ongeveer 10 mK bereikt. Ze wordt gebruikt om supergeleidende qubits en spinqubits in silicium te laten werken. Het koelvermogen van de koudste trap is klein, ruwweg tien tot enkele tientallen µW, dus warmte die via de bedrading binnenkomt is een uitdaging bij opschaling.

Japanse benaming: 希釈冷凍機

“Verdunningskoeler (dilution refrigerator)” komt voor in 3 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Hardware voor kwantumcomputers.

Vakgebied: Hardware voor kwantumcomputers

Hoe ze koelt

Onder ongeveer 0,87 K splitst een mengsel van helium-3 en helium-4 zich in een laag die rijk is aan helium-3 en een laag helium-4 waarin een beetje helium-3 is opgelost. Als helium-3 vanuit de geconcentreerde laag oplost in de verdunde laag (wordt verdund), neemt het warmte op, zoals een vloeistof die verdampt. Door continu helium-3 uit de verdunde laag weg te pompen en naar de geconcentreerde laag terug te voeren, gaat deze warmteopname door en koelt de trap af tot ongeveer 10 mK. Voor de voorkoeling worden veel pulsbuiskoelers gebruikt die tot ongeveer 4 K koelen.

Temperatuurtrappen en bedrading

In de koeler zijn platen op verschillende temperaturen in meerdere trappen boven elkaar geplaatst, zoals ongeveer 50 K, ongeveer 4 K, rond 1 K, ongeveer 100 mK en de koudste trap op ongeveer 10 mK. Coaxiale besturingslijnen naar de qubits worden op elke trap via verzwakkers naar beneden geleid om thermische ruis van kamertemperatuur te verminderen. Uitleessignalen worden versterkt door cryogene versterkers en HEMT-versterkers op de trap van 4 K voordat ze naar kamertemperatuur teruggaan. Als ruwe richtwaarde is het koelvermogen ongeveer 1 W op de trap van 4 K en ruwweg tien tot enkele tientallen µW bij ongeveer 20 mK op de koudste trap.

Uitdagingen bij opschaling

Zelfs bij de Carnot-limiet kost het wegpompen van 1 µW warmte uit 10 mK ongeveer 30 mW arbeid, dus warmte afvoeren wordt duurder naarmate de trap kouder is. Naarmate er qubits bijkomen, nemen bij platformen die meerdere lijnen per qubit nodig hebben het aantal kabels en de warmtebelasting snel toe; daarom worden frequentiemultiplexing, flexibele meeraderige bedrading en cryo-CMOS-besturingsschakelingen op de trap van 4 K ontwikkeld. Er wordt ook gewerkt aan grotere koelers en aan het koppelen van meerdere koelers.

Nu oefenen: vragen over Verdunningskoeler (dilution refrigerator)

Wat is de belangrijkste reden dat supergeleidende qubits in een verdunningskoeler tot ongeveer 10 tot 20 mK worden afgekoeld?

  1. AOm de bedrading en juncties supergeleidend te maken en thermische excitatie van de qubits en thermische ruis voldoende klein te maken
  2. BOmdat afkoelen de bandgap van silicium vergroot en de qubitfrequentie verhoogt
  3. COmdat de elektronenmobiliteit bij lage temperatuur stijgt, waardoor poortbewerkingen 1000 keer sneller worden dan bij kamertemperatuur
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Om de bedrading en juncties supergeleidend te maken en thermische excitatie van de qubits en thermische ruis voldoende klein te maken

Het aluminium in transmons wordt onder ongeveer 1,2 K supergeleidend, waardoor resistieve verliezen verdwijnen. Bovendien komt de energie hf van een qubit met een frequentie van ongeveer 5 GHz overeen met een temperatuur van ongeveer 0,24 K; tenzij de thermische energie kT veel kleiner wordt gemaakt dan dat, wordt de qubit thermisch aangeslagen naar |1⟩ en komt er thermische ruis binnen via de bedrading. De temperatuur van vloeibaar helium, ongeveer 4 K, is daarom niet genoeg, en de qubits worden met een verdunningskoeler die een mengsel van helium-3 en helium-4 gebruikt tot ongeveer 10 mK afgekoeld. De snelheid van qubits wordt niet door de mobiliteit bepaald, en supergeleidende qubits gebruiken ook de bandgap van silicium niet.

Veelgestelde vragen

Waarom is de temperatuur van vloeibaar helium (ongeveer 4 K) niet genoeg?

De energie hf van een qubit van 5 GHz komt overeen met een temperatuur van ongeveer 0,24 K, en bij 4 K is de thermische energie kT ongeveer 17 keer zo groot, zodat de qubit thermisch zou worden aangeslagen. Om thermische excitatie verwaarloosbaar te maken, moet hij ruim onder 0,24 K worden afgekoeld, tot enkele tientallen mK of minder.

Waarvoor worden verdunningskoelers gebruikt naast kwantumcomputers?

Ze worden al lang gebruikt in natuurkundig onderzoek dat cryogene temperaturen vereist, zoals onderzoek naar de eigenschappen van materialen bij lage temperatuur, supergeleidende detectoren voor astronomische waarnemingen en detectoren voor de zoektocht naar donkere materie. De vooruitgang in het onderzoek naar kwantumcomputers heeft de ontwikkeling van grotere koelers met meer bedrading aangejaagd.

“Verdunningskoeler (dilution refrigerator)” in de toelichting

Vragen met “Verdunningskoeler (dilution refrigerator)” (3)

  1. Wat is de belangrijkste reden dat supergeleidende qubits in een verdunningskoeler tot ongeveer 10 tot 20 mK worden afgekoeld?
  2. Welke waarde ligt het dichtst bij het minimale vermogen dat volgens de Carnot-limiet nodig is om 1 µW warmte uit een trap van 10 mK weg te pompen en af te voeren bij 300 K?
  3. Welke vergelijking van supergeleidende platformen en platformen met ionenvallen is het meest passend?

Verwante termen

Qubit (kwantumbit) Transmon Thermische ruis (Johnson-ruis) Mobiliteit Bandgap (bandkloof) Ionenval (ion trap) Algoritme van Shor Decoherentie Josephson-junctie (Josephson junction) Kwantumfoutcorrectie (quantum error correction)

Naar de woordenlijst