稀释制冷机

你在量子计算机照片里看到的那些金铜色吊灯，就是稀释制冷机，真正的芯片挂在最底端，比深空还冷。一个超导量子比特工作在几吉赫，而在室温下，热运动的随机抖动所携带的能量远大于一个微波量子，所以热噪声会淹没量子比特、不停地把它翻转。制冷机存在的意义就是把这些热量带走，把芯片冷却到大约 10 到 20 毫开尔文，也就是绝对零度之上约百分之一度，让量子态能安静地待足够久去完成计算。它同时让芯片上的金属保持在超导态，使导线无电阻、无发热地传输电流。

这份寒冷来自混合两种氦的同位素。在大约 0.87 开尔文以下，氦-3 和氦-4 的液态混合物会像油和水那样分成两层。把氦-3 原子从富集层推过界面进入稀薄层需要消耗能量，而这份能量是以热的形式从相连的物体上抽走的，就像汗水蒸发时带走你皮肤上的热一样。制冷机是一层层叠起来的，每一层都比上一层更冷，常按温度标注，比如 4 K、1 K、蒸馏器，以及最底部芯片所在的混合腔。每一根信号线和同轴线都要穿过所有这些层一路向下，把它携带的热量在下行途中一段段地卸掉。

诚实的难处在于：底部的制冷功率非常小，基温下常常远不到一毫瓦，所以那里几乎不允许任何东西发热。这一条就决定了整块量子芯片的设计：控制和读取信号必须在低温各级被大幅衰减和滤波，片上电子器件只能极省地耗电，而能用来走线的空间也有限，线一多热负载就赢了。要扩展到成千上万个量子比特会直接撞上这堵墙，这也正是为什么当前大量工作投在低温 CMOS 控制芯片、更好的布线和复用上，而不是单纯地堆更多量子比特。