An ultracompact dilution refrigerator for fast quantum device characterization

构建量子计算机的探索是一场与时间的赛跑，但这种时间并非以秒或分钟来衡量，而是以将机器冷却到想象中最冷温度所需的数小时和数天来衡量。为了让量子计算机精密的电路发挥作用，必须将它们冷却到仅比绝对零度高出极微小程度的温度，在这种状态下，原子的混沌跳动几乎停止。这种极端的寒冷通常是使用一种被称为稀释制冷机的专门机器来实现的，它就像一个超级强力的冰柜。在过去的十年里，这些机器一直是量子研究的支柱，让科学家能够观察他们的量子比特（即 qubit）在信息消散之前能保持信息多久。然而，传统的机器体积庞大、沉重，且使用起来极其缓慢。一旦科学家完成对新设计的测试，他们必须等待整整一天或更长时间，让机器升温、更换样品并再次冷却。这种缓慢的循环造成了瓶颈，迫使研究人员在测试每一个新想法时都要等待数周或数月，从而大大减缓了发现的速度。

来自法国和德国的一个研究小组现在构建了一个打破这一瓶颈的解决方案。他们制造了一台稀释制冷机，其体积之小仅重三公斤，大约相当于一台大型笔记本电脑的重量，并且可以装入一个仅十厘米宽的圆柱体内。尽管体积如此之小，但这台超紧凑型机器仍能将样品冷却至七十毫开尔文的基底温度，这一水平足以运行超导量子器件。更重要的是，它以前所未有的速度完成了这一过程。当处于空载状态时，该机器可以在仅一小时十二分钟内完成从冷却、升温到返回室温的完整循环。即使在加载了用于测量量子芯片所需的复杂布线后，整个过程也仅需两小时六分钟。与目前主导该领域的传统系统相比，这实现了二十倍的效率提升。

研究人员不仅制造了一台更快的机器，还证明了这种速度并不会以牺牲性能为代价。为了测试他们的发明，他们安装了一个包含两个超导量子比特（一种被称为 fluxonium 的超导量子比特类型）的芯片，这种量子比特对热量和电噪声极其敏感。在标准的实验室环境中，这样的芯片会在一台巨大的、数吨重的制冷机中进行测试。在这里，团队将芯片直接放入了他们的微型设备中。他们能够绘制出量子比特完整的能量结构，测量它们存储信息的时间长短，并测试它们的控制精度。结果令人瞩目。团队实现的单量子比特门保真度高达百分之九十九，这是衡量量子操作执行准确性的指标。这种精度已接近该机器运行温度下物理上可能的极限，证明了紧凑型设计并未引入任何会破坏实验的隐藏误差或噪声。

这项实验的成功归功于对机器内部架构的巧妙重新设计。研究人员并没有采用传统的设计布局（即最冷的部分位于底部），而是反转了几何结构，将被称为混合室的最冷阶段置于最顶端。这种设计让科学家可以直接接触到机器最冷的部分，而无需深入狭窄且隔热的管状结构内部。它简化了安装样品和更换组件的过程，这对于快速测试至关重要。该机器使用两种同位素的氦气混合物——这种气体在极低温度下会变成液体——来产生冷却效应。通过最大限度地减少机器内部的材料并优化这种冷却气体的流动，团队确保了系统散热的速度远快于其庞大的同类产品。整个装置非常轻巧且体积小，因此可以潜在地放置在高功率磁铁的狭窄接入端口内，或者与其他实验协同使用，而无需专门的重型基础支撑。

虽然这台机器在速度和体积方面堪称奇迹，但研究人员在谈及其局限性时也非常诚实。它产生的冷却能力大约是标准大型制冷机的十分之一，且基底温度略高。这意味着对于需要绝对低温或量子信息最长存储时间的实验，传统的庞大机器仍然更胜一筹。然而，这款新设备并非旨在取代那些巨头。相反，它为高通量筛选提供了一条实用的路径。在量子硬件的开发过程中，工程师经常需要测试数十种略有不同的设计，以观察哪一种效果最好。使用传统机器，测试单个设计可能需要一周时间，这使得快速迭代变得不可能。有了这款新设备，研究人员可以在几小时内测试完一个设计、分析结果并开始测试下一个设计。这种快速反馈循环允许对材料和电路设计进行更快速的改进，从而加速整个工程过程。

团队还展示了该机器能够处理与量子芯片通信所需的复杂电信号。他们通过同轴电缆引导微波信号，并将电缆锚定在不同的温度阶段，以确保信号保持纯净且无噪声。尽管空间狭小，限制了可安装滤波器的数量，但系统的噪声水平依然足够低，可以高精度地读取量子比特的状态。测量结果显示，量子比特的表现完全符合理论预测，其性能仅受环境温度的影响，而非受限于机器本身的质量。这证实了紧凑型设计不会损害数据的质量，这一关键发现验证了该方法在未来应用中的可行性。

展望未来，研究人员看到了进一步改进的清晰路径。他们指出，未来的版本可以降低基底温度并增强抗噪声屏蔽，这将推动其性能更接近于大型系统的水平。他们还指出，该机器的操作成本低廉，且体积小到可以同时部署多台设备。这开启了一种全新的工作流：许多小型机器可以并行运行，每台机器测试不同的量子设备，而不是依赖于一台所有人都要排队等待使用的单一庞大机器。在实验室之外，该系统的简单性和低成本使其成为理想的教学工具，让学生能够在无需接触价值数百万美元设施的情况下，获得超导量子技术的实践经验。通过将曾经耗时数天的过程缩短至数小时，这款超紧凑型制冷机为加速未来量子计算机的发展提供了一条切实可行的途径。