需要新技術(shù)和對舊技術(shù)進行改進，以達到 <1 K 的量子計算冷卻。

本系列的最后一部分著眼于吸收式制冷，這是稀釋制冷的替代方案。

低溫冷卻的稀釋制冷原理是眾所周知并廣泛使用的，但還有另一種選擇：吸收式制冷。它的原理在 20 年初就為人所知并付諸實踐^th世紀。事實上，阿爾伯特·愛因斯坦（是的，那個阿爾伯特·愛因斯坦）和他的學生利奧·西拉德（Leo Szilard，也成為了一位著名的物理學家）根據(jù)這一物理原理設(shè)計了一種冰箱并獲得了專利。

他們的動機不是低溫，而是取代越來越流行的主動電動冷卻器，以取代被動冰箱。這些冷卻器使用氨和丁烷等致命氣體作為工作液。當這些氣體泄漏時，由于多種原因，家庭居住者可能會窒息，類似于一氧化碳死亡。這是一場相當普遍的悲劇，在很多情況下，整個家庭都被消滅了。

吸收式冷卻是否與標準制冷有關(guān)，尤其是在美國？不，當今廣泛使用的冷卻或制冷系統(tǒng)被稱為蒸汽壓縮制冷系統(tǒng) （VCRS），其中制冷劑發(fā)生相變。制冷劑是氫氟碳化物 （HFC），如 R-22（氟利昂，現(xiàn)已因環(huán)境問題而被禁用）、R-134a 和 R-410A，以及氨和二氧化碳等天然制冷劑，每種制冷劑在效率和環(huán)境影響方面都有不同的好處。這項技術(shù)經(jīng)過多年的使用經(jīng)過高度完善，但無法進行低溫冷卻。

請注意，吸收式冰箱有時在北美使用，而在歐洲更為常見。它們還用于離網(wǎng)應(yīng)用，例如休閑車 （RV），即使沒有電力，也可以使用丙烷燃燒或太陽能等熱源。他們利用這種主要熱源來驅(qū)動涉及制冷劑和吸收劑的冷卻循環(huán)。

吸收式制冷系統(tǒng)是一種熱驅(qū)動制冷技術(shù)，利用低品位能源的熱量進行冷卻。它由五個主要部件組成：發(fā)電機、熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器，如圖 1 所示。

圖 1.吸收式制冷方法基于五個主要功能。（圖片：Science Direct)

該系統(tǒng)不使用壓縮機，而是在向發(fā)電機供熱時利用吸收器捕獲并通過泵輸送弱冷卻劑。在蒸發(fā)器中，制冷劑在吸收熱量時被汽化，從而冷卻。然后蒸汽被在吸收器中主動冷卻的弱溶液吸收。

接下來，稀釋后的溶液被泵送到發(fā)電機，制冷劑蒸氣從溶液中熱解吸并送到冷凝器，在那里冷凝。在那里，液態(tài)制冷劑相通過膨脹閥膨脹至較低壓力，并流回蒸發(fā)器以補充蒸發(fā)器制冷劑。同時，強溶液通過熱交換器送回吸收器，吸收來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣;這個過程在整個周期中重復(fù)。

這種方法的優(yōu)點是可以使用低能耗或廢熱，運動部件很少或沒有，并且可靠。然而，與 VCRS 方法相比，它的效率相對較低。

“吸收式”冷卻與“吸附式”冷卻不同。吸收冷卻使用液體吸收劑溶解制冷劑，而吸附冷卻使用固體材料（如硅膠）吸附制冷劑。打個比方，吸收就像水溶解成液體，而吸附就像海綿吸收水分。

低溫

最近，來自查爾姆斯理工大學（瑞典）、美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）和馬里蘭大學的量子研究人員團隊采用這一原理，創(chuàng)造了一種量子冰箱，可以自主將超導量子比特冷卻到創(chuàng)紀錄的低溫20 mK左右。

他們的量子吸收冰箱利用大約 40 mK 的“熱”量子系統(tǒng)從另一個“冷”量子系統(tǒng)中提取熱量，通過量子相互作用而不是流體的熱力學來實現(xiàn)這一點。此外，它不需要持續(xù)的外部控制。

其設(shè)計利用了三個超導量子，如圖2所示。這不是印刷錯誤：“量子”是量子比特的概括，因為它們具有兩個以上的能級。其中一個 qudits 耦合到大約 40 mK 的溫暖環(huán)境，作為熱浴，提供驅(qū)動冷卻過程所需的能量。正是這種熱溫泉浴激發(fā)了熱的 qudit。

圖 2.在微開爾文吸收冷卻方案中使用三個qudits的概念方案;冗長而內(nèi)容豐富的標題可在此處獲得。（圖片來源：自然物理學)

第二個 qudit 與較冷的環(huán)境有關(guān)，起到一個可以將熱量排出的冷熱浴的作用。最后，第三個 qudit 是需要冷卻并強制到基態(tài)的目標量子比特。

庫迪特之間的這種三體相互作用（與經(jīng)典物理學的三體問題無關(guān)）驅(qū)動制冷過程。來自熱量子量子和來自目標量子比特的量子能量同時轉(zhuǎn)移到冷量子量子;然后，這種能量在冷熱浴中消散。

使用這一過程，該團隊實現(xiàn)了僅 22 mK 的冷卻方法的創(chuàng)紀錄低溫，如圖 3 所示。他們指出，這個溫度對應(yīng)于目標量子比特處于基態(tài)的概率為 99.97%。

圖 3.（左）新的量子冰箱——圖像中量子比特中心的方形物體——基于超導電路，并由環(huán)境熱量提供動力。該設(shè)備是在瑞典查爾姆斯理工大學的納米制造實驗室制造的。（右）稀釋制冷機是一種冷卻系統(tǒng)，它封閉了一臺量子計算機，使量子比特降至 50 毫開爾文以下;照片中稀釋冰箱的外殼已被移除。（圖片來源：查爾姆斯理工大學)

他們方法的額外好處之一是量子冰箱可以自主運行，在這個階段不需要外部能量（電力），盡管它肯定需要大量的電力才能達到這個階段。與其說是節(jié)能問題，不如說是簡化作和減少控制需求。

總結(jié)

量子計算的奇特而現(xiàn)實世界的應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。特別是，需要在接近絕對零 （0 K） 的作下強制量子比特進入已知的信托基態(tài)?，F(xiàn)有和新的制冷技術(shù)都采用了實現(xiàn)這一目標，利用了既定方法以及現(xiàn)有方法的創(chuàng)新變體。