Quais sistemas criogênicos são adequados para qubits supercondutores?

Um refrigerador de diluição é a única maneira de resfriar qubits supercondutores até 10 milikelvin? Caso contrário, que outros métodos existem e por que a refrigeração por diluição é o método principal?

Um refrigerador de diluição é a única maneira de resfriar qubits supercondutores até 10 milikelvin?

Há outro tipo de geladeira que pode chegar a 10 mK: o refrigerador de desmagnetização adiabática (ADR). [ a ]$^{[a]}$

Por que a refrigeração por diluição é o método principal?

Para entender isso, vamos falar sobre uma das principais limitações do ADR.

Como um ADR funciona

Um ADR geralmente chega a cerca de 3K com um compressor de hélio. Esse compressor pode funcionar o tempo todo, de modo que a geladeira possa ficar indefinidamente a 3K. Para descer para temperaturas mK, o ADR funciona assim:

1. Aumente o campo magnético ao redor de um sólido com rotações nucleares. Isso alinha as rotações.
2. Desligue lentamente o campo. Isso permite que os giros aleatorizem sua direção, o que absorve a entropia do ambiente e baixa a temperatura.
3. Quando o campo volta ao zero, sugamos calor suficiente das redondezas para trazê-los a temperaturas mK.

Limitações de ADR

Tudo isso é ótimo e realmente funciona, mas é um processo "one-shot". Quando o campo estiver baixo a zero, você não poderá descer mais. O calor do ambiente, como as partes externas da geladeira à temperatura ambiente, vaza calor na parte que você está tentando manter frio e, como já abaixamos o campo magnético para zero, não podemos fazer nada para remover aquele calor. Portanto, após o resfriamento do ADR, ele começa a aquecer (esperançosamente lento o suficiente para executar seu experimento).

É típico que um ADR fique abaixo de 100mK por talvez doze horas, embora esse número dependa muito de quantos fios você possui na parte fria do ADR. Depois que a temperatura subir acima do que você deseja, é necessário aumentar o campo magnético novamente e abaixá-lo lentamente para esfriar novamente. Elevar e abaixar o campo leva um tempo e aquece a geladeira, e esse grande campo magnético é muitas vezes incompatível com experimentos de qubit supercondutores, para que você não possa executar experimentos enquanto estiver nesse estágio do processo.

ADR vs. refrigerador de diluição

O refrigerador de diluição, por outro lado, funciona continuamente, portanto você tem o tempo necessário para executar sua experiência. Essa é uma grande razão pela qual eles são de uso comum. Observe, no entanto, que outros refrigeradores além do ADR são usados ​​em muitos laboratórios de qubit supercondutores para tarefas em que os benefícios de um refrigerador de diluição não são necessários e o menor tempo frio de um ADR é aceitável. Por exemplo, as RAMs são comuns em experimentos com ressonadores supercondutores, que são usados ​​para testar a qualidade dos materiais que podem ser usados ​​posteriormente para um qubit.

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