颠覆量子计算行业！费米实验室创造世界上最大的稀释制冷机

光子盒研究院出品

今年9月，IBM宣布成功地将世界上最大的稀释制冷机“黄金眼”(Goldeneye)冷却到工作温度(~25 mK)。尽管黄金眼还未正式投入使用，但它“世界第一”的名号已经不保，因为费米实验室正在开发的稀释制冷机Colossus的体积是黄金眼的三倍。

目前，美国能源部费米国家加速器实验室的研究人员宣布他们正在建造Colossus——它将成为迄今为止mK温度下最大、最强的稀释制冷机。费米实验室表示，“Colossus建成后将它将提供5立方米的空间，并将组件冷却到大约0.01 K。这是标准商业稀释制冷机的10倍冷却能力和15倍体积。”标准稀释制冷机约0.4-0.7立方米，黄金眼为1.7立方米，仅为Colossus的三分之一。

5立方米的最大稀释制冷机Colossus

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世界上最大的稀释制冷机

来自费米实验室超导量子材料和系统中心(SQMS)的研究人员需要在低温下有大量的空间来实现他们建造最先进的量子计算机的目标。与厨房冰箱不同，稀释制冷机使用氦同位素的混合物来产生接近绝对零度的温度。

该项目首席技术专家Matt Hollister说：“一旦我们完成了建造这台巨型机器的目标，凭借Colossus将提供的冷却能力和体积，SQMS的研究人员将为我们未来的量子计算机和许多其他量子计算和物理实验提供前所未有的空间，‘Colossus’是以第一台电子可编程计算机命名的，它建于1940年代，用于破译密码。这是计算机历史上的一个历史性里程碑，似乎是我们新稀释制冷机的合适名称。”

SQMS的科学家和工程师正在解决量子退相干的挑战。退相干是一种现象，当量子信息被信号噪声所掩盖或通过组成物理量子比特的材料丢失时，就会出现这种现象。SQMS用于开发更好物理量子比特的金属铌腔源于费米实验室著名的粒子加速器计划。该实验室在超导腔和低温方面的专业知识，对建造现代化、强大的粒子加速器至关重要，使费米实验室成为美国能源部国家量子信息科学研究中心之一的主要所在地。

为了制造一台量子计算机，研究人员不仅需要相互连接的高质量量子比特，他们还需要大量的周边设备。

与Colossus相比，大多数在mK温度下运行的稀释制冷机只提供了一小部分空间，这使得可扩展性成为构建有用的量子计算机的一大障碍。Colossus非常巨大，它将能够容纳数百到数千个高度相干的腔和量子比特。

新的稀释制冷机将围绕一个重新设计的设施建造，该设施最初用于在4K附近的温度下测试费米实验室Mu2e实验的组件。当Colossus完全建成后，它将提供5立方米的空间，并将组件冷却到大约0.01 K。这是标准商业稀释制冷机在该温度下冷却能力的10倍和体积的15倍。

Hollister表示：“在SQMS，我们使用超导材料制成的金属腔来进行研究。超导材料在存储电磁能方面非常出色，损耗非常低，但最大的挑战是它们必须非常冷。幸运的是，我们正在建造一个空间来存储数百到数千个腔和量子比特，当然这取决于几何结构和大小。”

Colossus的建造面临着许多挑战，因为它的直径约为2米。像一个倒置的婚礼蛋糕，大约七个直径越来越小、温度越来越低的盘子将相互悬挂，形成Colossus的低温结构。

Chris James、Grzegorz Tatkowski和Matt Hollister站在为Colossus重新设计的冷却箱顶部。

低温工程师Grzegorz Tatkowski说：“以前从未建造过这种规模的稀释制冷机。这给我们的团队带来了许多技术挑战。我们正在为Colossus设计一个质量相当大的有效载荷，确保每个板达到该项目所需的正确温度规格是一个挑战。”

为了建造Colossus，技术人员将重新设计低温设备和一个控制室，该控制室最初用于费米实验室著名的对撞机探测器，该探测器为研究人员发现顶级夸克提供了数据，并提供了最近对W玻色子质量的测量。

低温工程师Chris James说：“这与我在费米实验室中微子部门工作时面临的低温挑战大不相同。在那里，我们使用的是可以容纳数吨超纯液态氩的大型储罐以探测称为中微子的微小粒子。在这里，我使用的是0.01 K左右的液氦，比液氩冷10000倍左右。”

为了最终确定Colossus的设计和规格，SQMS团队已经对稀释制冷机的组件进行了深入的审查。该团队预计在2023年夏季开始大规模采购。

Hollister说：“一旦我们完成建造这台大型机器的目标，我们就期待看到我们的研究人员与Colossus一起计划的令人难以置信的物理和量子计算实验。Colossus团队很高兴能够建造首台同类机器，以支持我们即将进行的实验，并创造出能够提升知识和能力的计算设备。”

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颠覆量子计算行业

在IBM黄金眼发布当天，盒叔设想了几个问题，并表示这些问题的答案甚至可能颠覆量子计算行业格局。实际上，对于未来出现的Colossus，这些问题仍然值得我们思考：

第一，量子比特扩展是否真的需要这么大的稀释制冷机？有没有一种替代的扩展方法不需要这么大的制冷机？或者有没有一种新的制冷方式(这可能需要一种新的物理学)？

第二，其他公司有没有能力制造这么大的稀释制冷机？如果没有，可否向有制造能力的公司或科研机构采购？对于国内公司，会不会像AMSL光刻机那样被禁购？

第三，百万量子比特是否需要更大的制冷机？黄金眼和Colossus都表示可容纳上千个量子比特，那么将来容纳百万量子比特的制冷机会扩大多少倍？这实际上是与计算机小型化发展趋势背道而驰的。

第四，如果国内解决不了稀释制冷机越来越大的问题，我们是否应该发展室温量子计算机？

参考链接：

https://news.fnal.gov/2022/12/its-colossal-creating-the-worlds-largest-dilution-refrigerator/

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