什麼是稀釋冷凍機
使用氦-3 與氦-4 混合液，連續產生約 10 mK 極低溫的冷凍機。用於超導量子位元與矽自旋量子位元的運作。最冷一段的冷卻能力只有約十幾到數十 µW，因此從配線流入的熱是大規模化的課題。
日文名稱: 希釈冷凍機
「稀釋冷凍機」出現在1領域的3道練習題中（量子電腦硬體等）。
這個名詞所屬的領域: 量子電腦硬體
冷卻的原理
氦-3 與氦-4 的混合液在約 0.87 K 以下，會分成富含氦-3 的一層，以及溶有少量氦-3 的氦-4 層。氦-3 從濃的一層溶入（被稀釋到）稀的一層時，會像液體蒸發時一樣吸收熱。持續以幫浦從稀的一層抽出氦-3 並送回濃的一層，就能讓這種吸熱連續發生，冷卻到約 10 mK。預冷則廣泛使用冷卻到約 4 K 的脈衝管冷凍機等。
溫度段與配線
冷凍機內部疊有多層溫度不同的板，例如約 50 K、約 4 K、約 1 K 左右、約 100 mK，以及最冷的約 10 mK。通往量子位元的控制用同軸電纜，會在各段經過衰減器，一面減少來自室溫的熱雜訊一面往下拉。讀取訊號則經由極低溫放大器與 4 K 段的 HEMT 放大器放大後再回到室溫。冷卻能力的大致數值，4 K 段約 1 W，最冷一段在 20 mK 附近約十幾到數十 µW。
大規模化的課題
即使在卡諾極限下，從 10 mK 抽出 1 µW 的熱也需要約 30 mW 的功，溫度越低的段處理熱的代價越高。量子位元增加時，對每個量子位元需要數條配線的平台而言，電纜數量與熱流入會急速增加，因此正在發展頻率多工、可撓式多芯配線，以及放在 4 K 段的低溫 CMOS 控制電路等技術。也有把冷凍機本身大型化，或把多台冷凍機連接起來的做法。
練習稀釋冷凍機的題目
把超導量子位元以稀釋冷凍機冷卻到約 10～20 mK 再運作，主要理由為下列何者？
- A讓配線與接面進入超導狀態，並使熱造成的量子位元激發與熱雜訊足夠小
- B低溫會使矽的能隙變寬，量子位元的頻率因而提高
- C低溫下電子遷移率提高，邏輯閘操作可比室溫快 1,000 倍
常見問題
為什麼液態氦的溫度（約 4 K）不夠？
5 GHz 量子位元的能量 hf 換算成溫度約為 0.24 K，而在 4 K 時熱能 kT 約為其 17 倍，量子位元會被熱激發。要讓熱激發可以忽略，必須冷卻到遠低於 0.24 K，即數十 mK 以下。
稀釋冷凍機除了量子電腦之外還用在哪裡？
它早已用於需要極低溫的物理研究，例如低溫下物質性質的研究、天文觀測用的超導偵測器、暗物質搜尋實驗的偵測器等。隨著量子電腦研究的進展，大型且配線多的冷凍機的開發也在推進。
解析中的「稀釋冷凍機」
因此液態氦溫度的約 4 K 並不夠，必須使用氦-3 與氦-4 混合液的稀釋冷凍機冷卻到約 10 mK。
把超導量子位元以稀釋冷凍機冷卻到約 10～20 mK 再運作，主要理由為下列何者？實際稀釋冷凍機最冷一段的冷卻能力，在 20 mK 附近大約只有十幾到數十 µW，遠小於 4 K 段（約 1 W），因此從配線流入的熱與電路的發熱，要盡量在溫度較高的段處理。
從 10 mK 的冷卻段抽出 1 µW 的熱並排放到 300 K 時，依卡諾極限所需的最小功率最接近下列何者？超導平台需要稀釋冷凍機，離子阱平台則需要超高真空與雷射。
比較超導平台與離子阱平台的敘述，下列何者最適當？
出現「稀釋冷凍機」的題目（3題）
相關名詞
量子位元 Transmon 量子位元 熱雜訊(強森雜訊) 遷移率 能隙 離子阱 自旋量子位元 表面碼 後量子密碼 約瑟夫森接面