¿Qué sistemas criogénicos son adecuados para qubits superconductores?

¿Es un refrigerador de dilución la única forma de enfriar qubits superconductores hasta 10 milikelvin? De no ser así, ¿qué otros métodos existen y por qué la refrigeración por dilución es el método principal?

¿Es un refrigerador de dilución la única forma de enfriar qubits superconductores hasta 10 milikelvin?

Hay otro tipo de refrigerador que puede llegar a 10 mK: el refrigerador de desmagnetización adiabática (ADR). [ a ]$^{[a]}$

¿Por qué la refrigeración por dilución es el método principal?

Para entender eso, hablemos de una de las principales limitaciones del ADR.

Cómo funciona un ADR

Un ADR generalmente llega a aproximadamente 3K con un compresor de helio. Ese compresor puede funcionar todo el tiempo, por lo que el refrigerador puede sentarse a 3K indefinidamente. Para bajar a temperaturas mK, el ADR funciona así:

1. Eleve el campo magnético que rodea un sólido con espines nucleares. Esto alinea los giros.
2. Lentamente apague el campo. Esto permite que los giros aleatoricen su dirección, lo que absorbe la entropía del entorno y disminuye la temperatura.
3. Una vez que el campo vuelve a cero, hemos absorbido suficiente calor de los alrededores para llevarlos a temperaturas mK.

Limitaciones de ADR

Todo esto es genial y realmente funciona, pero es un proceso de "una sola vez". Una vez que el campo se ha reducido a cero, no puede bajar más. El calor de los alrededores, como las partes exteriores del refrigerador a temperatura ambiente, filtra el calor a la parte que está tratando de mantener frío, y como ya hemos reducido el campo magnético a cero, no podemos hacer nada para eliminarlo. ese calor. Por lo tanto, después de enfriar el ADR, comienza a calentarse (es de esperar que sea lo suficientemente lento como para ejecutar su experimento).

Es típico que un ADR permanezca por debajo de 100 mK durante unas doce horas, aunque ese número depende en gran medida de la cantidad de cables que tenga en la parte fría del ADR. Después de que la temperatura se eleva por encima de lo que desea, debe volver a elevar el campo magnético y bajarlo lentamente para volver a enfriarlo. Subir y bajar el campo lleva un tiempo y calienta el refrigerador, y ese gran campo magnético a menudo es incompatible con los experimentos de qubit superconductores, por lo que no puede ejecutar experimentos mientras se encuentra en esa etapa del proceso.

ADR vs refrigerador de dilución

El refrigerador de dilución, por otro lado, funciona continuamente, por lo que tiene todo el tiempo que necesite para realizar su experimento. Esa es una razón bastante grande por la que son de uso común. Sin embargo, tenga en cuenta que otros refrigeradores además del ADR se usan en muchos laboratorios qubit superconductores para tareas en las que no se necesitan los beneficios de un refrigerador de dilución y el tiempo de enfriamiento más corto de un ADR está bien. Por ejemplo, los ADR son comunes para los experimentos con resonadores superconductores, que se utilizan para probar la calidad de los materiales que luego pueden usarse para un qubit.

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