去年IBM公布了他們的“黃金眼(Goldeneye)項(xiàng)目”：為量子計(jì)算機(jī)造一臺前所未有的超大稀釋制冷機(jī)(俗稱冰箱，科學(xué)家也叫它大桶)——包含1.7立方米的實(shí)驗(yàn)容積，可以將比三個(gè)家庭廚房冰箱更大的容積冷卻到比外太空更冷的溫度，而以前的制冷機(jī)在0.4-0.7立方米的范圍內(nèi)。這是世界上實(shí)驗(yàn)容積最大的稀釋冰箱。

　　近日，IBM終于宣布成功地將“黃金眼”冷卻到工作溫度(~25 mK)，并在內(nèi)部連接了一個(gè)量子處理器[1]。黃金眼將很快轉(zhuǎn)移到位于紐約的IBM量子計(jì)算中心，該中心正在探索大型低溫系統(tǒng)，以最好地滿足未來量子數(shù)據(jù)中心的冷卻需求，例如正在開發(fā)的用于IBM System Two的Bluefors Kide平臺。IBM表示，“我們希望它的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，著眼于易用性，將激發(fā)下一代真空和低溫制冷技術(shù)。”

　　稀釋制冷機(jī)是一種實(shí)驗(yàn)性低溫設(shè)備，使用兩種氦同位素(氦-3和氦-4)的混合物，將空間容積冷卻到毫開爾文(mK)范圍，即絕對零度(-273.15℃)以上千分之幾度。

　　稀釋制冷機(jī)通過使用多個(gè)步驟從氦同位素混合物中去除熱量來進(jìn)行冷卻，然后使用真空泵將氦-3循環(huán)并稀釋到氦-3/氦-4混合物中，直到達(dá)到目標(biāo)溫度。早期階段，所有稀釋制冷機(jī)都是“濕”系統(tǒng)，需要像液氮和其他低溫液體這樣已經(jīng)很冷的物質(zhì)來開始冷卻。今天的制冷機(jī)更常見的是“干燥的”，即無液氦稀釋制冷機(jī)：采用一種稱為低溫冷卻器的機(jī)械部件，提供初始50 K和4 K的溫度，用于預(yù)冷卻氦混合物。

上圖：左：“黃金眼”超級冰箱的內(nèi)部。 右圖：IBM 團(tuán)隊(duì)在閉合外殼的儀器旁邊。

　　這些都是先進(jìn)的機(jī)器，因此很難擴(kuò)大規(guī)模。“黃金眼”項(xiàng)目采用了全新的框架和低溫恒溫器結(jié)構(gòu)——負(fù)責(zé)冷卻的主要桶形組件——以最大限度地增加實(shí)驗(yàn)容積，同時(shí)降低噪聲，達(dá)到冷卻實(shí)驗(yàn)量子硬件所需的溫度。該設(shè)計(jì)是模塊化的，這使得原型設(shè)計(jì)、組裝和拆卸對于一個(gè)由四名IBM工程師組成的團(tuán)隊(duì)來說更容易。其他大型稀釋制冷機(jī)可能需要更大的起重機(jī)和十幾名或更多的技術(shù)人員進(jìn)行組裝和拆卸。

　　低溫恒溫器還具有蛤殼式設(shè)計(jì)，允許外部真空室側(cè)向打開，無需移除整個(gè)外殼即可接觸內(nèi)部硬件。如今大多數(shù)稀釋制冷機(jī)都需要一組操作員才能正常工作，但黃金眼的全自動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)專門設(shè)計(jì)的懸臂起重機(jī)，未來甚至可以一個(gè)人操作冰箱——這可以在開源可視化平臺的幫助下遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　低溫恒溫器的內(nèi)部能夠安裝一組10個(gè)內(nèi)部板(internal plates)，用于在其上半部和下半部安裝組件：五個(gè)“常規(guī)”單元在頂部，五個(gè)倒置單元在底部。它還可以容納多達(dá)六個(gè)單獨(dú)的稀釋制冷機(jī)單元，在100 mK溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)近10 mW的冷卻功率，在4 K溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)超過24 W的冷卻功率。最后，整個(gè)系統(tǒng)的重量(6.7公噸)也有助于抑制振動(dòng)，減少了對其他常用抑制技術(shù)的需求。

上圖：“黃金眼”的 技術(shù)負(fù)責(zé)人 Pat Gumann 在進(jìn)行一些調(diào)整。

　　最重要的是，IBM表示，它是有效的。從項(xiàng)目開始到目前的25 mK里程碑，僅僅過了三年，就能夠?qū)⒘孔颖忍匦酒湃肫渲小?/p>

　　這項(xiàng)測試完成了對量子比特頻率和相干時(shí)間的測量，通過觀察一個(gè)量子比特展示了黃金眼的性能。相干時(shí)間450微秒，相當(dāng)于在其他商用稀釋制冷系統(tǒng)上測得的相干時(shí)間。盡管不同的內(nèi)部環(huán)境和更大的實(shí)驗(yàn)容積，也沒有觀察到量子比特性能的下降。

　　IBM表示，盡管它很大，但是很高效。容納等量的量子硬件，它比現(xiàn)在的大型稀釋制冷機(jī)需要更少的空間。在當(dāng)今最先進(jìn)的制冷機(jī)中部署同等硬件需要10倍的實(shí)驗(yàn)室空間。

　　IBM也表示，“我們不知道用于冷卻未來量子計(jì)算機(jī)的制冷機(jī)是否真的會這么大。但黃金眼可以使我們可以考慮許多不同的方式來擴(kuò)展我們的量子處理器，甚至在2025年之后，并將幫助我們進(jìn)一步概念化未來量子數(shù)據(jù)中心的低溫基礎(chǔ)設(shè)施。最重要的是，每當(dāng)我們突破一個(gè)技術(shù)邊界，我們都會學(xué)到一些新的東西。通過簡單地構(gòu)建黃金眼，我們團(tuán)隊(duì)測試了低溫科學(xué)的極限，同時(shí)告訴我們什么樣的大規(guī)模量子實(shí)驗(yàn)可能很快就可行。隨著我們繼續(xù)為世界繪制量子路線圖，從這個(gè)項(xiàng)目中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)可能會用于未來的IBM Quantum System 3。”