稀釋製冷機

你在量子電腦照片裡看到的那些金銅色吊燈，就是稀釋製冷機，真正的晶片掛在最底端，比深空還冷。一個超導量子位元工作在幾吉赫，而在室溫下，熱運動的隨機抖動所攜帶的能量遠大於一個微波量子，所以熱雜訊會淹沒量子位元、不停地把它翻轉。製冷機存在的意義就是把這些熱量帶走，把晶片冷卻到大約 10 到 20 毫開爾文，也就是絕對零度之上約百分之一度，讓量子態能安靜地待足夠久去完成計算。它同時讓晶片上的金屬保持在超導態，使導線無電阻、無發熱地傳輸電流。

這份寒冷來自混合兩種氦的同位素。在大約 0.87 開爾文以下，氦-3 和氦-4 的液態混合物會像油和水那樣分成兩層。把氦-3 原子從富集層推過界面進入稀薄層需要消耗能量，而這份能量是以熱的形式從相連的物體上抽走的，就像汗水蒸發時帶走你皮膚上的熱一樣。製冷機是一層層疊起來的，每一層都比上一層更冷，常按溫度標註，比如 4 K、1 K、蒸餾器，以及最底部晶片所在的混合腔。每一根訊號線和同軸線都要穿過所有這些層一路向下，把它攜帶的熱量在下行途中一段段地卸掉。

誠實的難處在於：底部的製冷功率非常小，基溫下常常遠不到一毫瓦，所以那裡幾乎不允許任何東西發熱。這一條就決定了整塊量子晶片的設計：控制和讀取訊號必須在低溫各級被大幅衰減和濾波，晶片上的電子元件只能極省地耗電，而能用來走線的空間也有限，線一多熱負載就贏了。要擴展到成千上萬個量子位元會直接撞上這堵牆，這也正是為什麼當前大量工作投在低溫 CMOS 控制晶片、更好的佈線和多工上，而不是單純地堆更多量子位元。