An ultracompact dilution refrigerator for fast quantum device characterization

De zoektocht naar het bouwen van een quantumcomputer is een race tegen de klok, maar niet een die wordt gemeten in seconden of minuten. Het wordt gemeten in de uren en dagen die nodig zijn om een machine af te koelen tot de koudste temperaturen die men zich kan voorstellen. Om de delicate circuits van een quantumcomputer te laten werken, moeten ze worden afgekoeld tot een temperatuur die slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt ligt, een staat waarin het chaotische trillen van atomen bijna tot stilstand komt. Deze extreme kou wordt meestal bereikt met behulp van een gespecialiseerde machine genaamd een verdunningskoelkast (dilution refrigerator), die fungeert als een superkrachtige koelbox. De afgelopen tien jaar zijn deze machines de ruggengraat van het quantumonderzoek geweest, waardoor wetenschappers kunnen zien hoe lang hun quantum bits, of qubits, hun informatie kunnen vasthouden voordat deze vervaagt. Echter, de traditionele machines zijn massief, zwaar en ongelooflijk traag in gebruik. Zodra een wetenschapper een nieuw ontwerp heeft getest, moet hij een volle dag of langer wachten tot de machine is opgewarmd, het monster is vervangen en weer is afgekoeld. Deze trage cyclus creëert een flessenhals, waardoor onderzoekers weken of maanden moeten wachten om één nieuw idee te testen, wat het tempo van ontdekkingen drastisch vertraagt.

Een team van onderzoekers in Frankrijk en Duitsland heeft nu een oplossing gebouwd die deze flessenhals doorbreekt. Ze hebben een verdunningskoelkast gebouwd die zo klein is dat hij slechts drie kilo weegt, ongeveer de massa van een grote laptop, en in een cilinder van slechts tien centimeter breed past. Ondanks de minuscule omvang kan deze ultracompacte machine een monster afkoelen tot een basistemperatuur van zeventig millikelvin, een niveau dat koud genoeg is om supergeleidende quantumapparaten te laten werken. Belangrijker nog: het doet dit met ongekende snelheid. Wanneer de machine leeg is, kan hij een volledige cyclus van afkoelen, opwarmen en terugkeren naar kamertemperatuur voltooien in slechts één uur en twaalf minuten. Zelfs wanneer de machine is geladen met de complexe bedrading die nodig is om een quantumchip te meten, duurt het hele proces slechts twee uur en zes minuten. Dit vertegenwoordigt een twintigvoudige reductie in tijd vergeleken met de conventionele systemen die vandaag de dag het veld domineren.

De onderzoekers hebben niet alleen een snellere machine gebouwd; ze hebben bewezen dat deze snelheid niet ten koste gaat van de prestaties. Om hun uitvinding te testen, installeerden ze een chip met twee supergeleidende qubits, een type quantum bit dat bekend staat als een fluxonium, die berucht gevoelig is voor warmte en elektrische ruis. In een standaard laboratoriumomgeving zou een dergelijke chip worden getest in een enorme, meer tonnen zware koelkast. Hier plaatste het team de chip rechtstreeks in hun minuscule apparaat. Ze waren in staat om de volledie energie-structuur van de qubits in kaart te brengen, te meten hoe lang ze informatie konden opslaan en te testen hoe nauwkeurig ze gecontroleerd konden worden. De resultaten waren opmerkelijk. Het team behaalde een single-qubit gate fidelity van tot wel negent puluh negen procent, een maatstaf voor hoe nauwkeurig een quantumoperatie wordt uitgevoerd. Dit niveau van precisie ligt op de grens van wat fysiek mogelijk is bij de bedrijfstemperatuur van hun machine, wat bewijst dat het compacte ontwerp geen verborgen fouten of ruis heeft geïntroduceerd die het experiment zouden verpesten.

Het succes van dit experiment berust op een slim herontwerp van de interne architectuur van de machine. In plaats van de traditionele lay-out waarbij het koudste deel zich onderaan bevindt, hebben de onderzoekers de geometrie omgedraaid en het koudste stadium, bekend als de mengkamer (mixing chamber), helemaal bovenaan geplaatst. Dit ontwerp geeft wetenschappers directe toegang tot het koudste deel van de machine zonder dat ze diep in een smalle, geïsoleerde buis hoeven te reiken. Het vereenvoudigt het proces van het monteren van een monster en het wisselen van componenten, wat cruciaal is voor snelle tests. De machine gebruikt een mengsel van twee isotopen van helium, een gas dat vloeibaar wordt bij extreem lage temperaturen, om het koelingseffect te creëren. Door de hoeveelheid materiaal in de machine te minimaliseren en de stroom van dit koelgas te stroomlijnen, zorgde het team ervoor dat het systeem warmte veel sneller kon afvoeren dan hun grotere tegenhangers. Het hele apparaat is zo licht en klein dat het potentieel geplaatst kan worden in de krappe toegangspoorten van krachtige magneten of gebruikt kan worden naast andere experimenten zonder dat er een speciale, zware fundering nodig is.

Hoewel de machine een wonder van snelheid en omvang is, waren de onderzoekers voorzichtig met het eerlijk zijn over de beperkingen ervan. Het koelvermogen dat het genereert is ongeveer tien keer kleiner dan dat van een standaard grote koelkast, en de basistemperatuur is iets warmer. Dit betekent dat voor experimenten die de absoluut koudste temperaturen of de langst mogelijke opslagtijden voor quantum-informatie vereisen, de traditionele grote machines superieur blijven. Deze nieuwe device is echter niet bedoeld om die reuzen te vervangen. In plaats daarvan biedt het een praktisch pad voor high-throughput screening. Bij de ontwikkeling van quantumhardware moeten ingenieurs vaak tientallen licht verschillende ontwerpen testen om te zien welke het beste werkt. Met een conventionele machine kan het testen van één ontwerp een week duren, wat snelle iteratie onmogelijk maakt. Met dit nieuwe apparaat kan een onderzoeker een nieuw ontwerp testen, de resultaten analyseren en binnen enkele uren beginnen met het testen van het volgende ontwerp. Deze snelle feedbackloop maakt een veel snellere verfijning van materialen en circuitontwerpen mogelijk, wat het hele engineeringproces versnelt.

Het team heeft ook gedemonstreerd dat de machine de complexe elektrische signalen kan afhandelen die nodig zijn om met de quantumchip te communicen. Ze leidden microgolfsignalen door coaxiale kabels die op verschillende temperatuurstadia waren verankerd om ervoor te zorgen dat de signalen schoon en vrij van ruis bleven. Ondanks de krappe ruimte, die de hoeveelheid filters die ze konden installeren beperkte, bleef de systeemruis laag genoeg om de staat van de qubits met hoge precisie uit te lezen. De metingen lieten zien dat de qubits zich precies gedroegen zoals de theorie voorspelde, waarbij hun prestaties alleen werden beperkt door de temperatuur van de omgeving en niet door de kwaliteit van de machine zelf. Dit bevestigt dat het compacte ontwerp de kwaliteit van de gegevens niet in gevaar brengt, een cruciale bevinding die de aanpak valideert voor toekomstig gebruik.

Kijkend naar de toekomst, zien de onderzoekers een duidelijk pad voor verdere verbeteringen. Ze merken op dat de basistemperatuur in toekomstige versies verlaagd kan worden en de afscherming tegen ruis verbeterd kan worden, wat de prestaties nog dichter bij het niveau van de grootste systemen zou brengen. Ze wijzen er ook op dat de machine goedkoop in gebruik is en klein genoeg is om meerdere eenheden tegelijkertijd in te zetten. Dit opent de deur naar een nieuw soort workflow waarbij veel kleine machines parallel draaien, waarbij elk een ander quantumapparaat test, in plaats van te vertrouwen op één enkele, enorme machine waar iedereen op moet wachten om te mogen gebruiken. Buiten het laboratorium maakt de eenvoud en de lage kosten van het systeem het een ideaal instrument voor onderwijs, waardoor studenten praktische ervaring kunnen opdoen met supergeleidende quantumtechnologie zonder toegang te hoeven hebben tot een faciliteit van miljoenen dollars. Door een proces dat ooit dagen duurde om te veranderen in een proces dat slechts uren duurt, biedt deze ultracompacte koelkast een praktische route om de ontwikkeling van de quantumcomputers van de toekomst te versnellen.