用于量子計算的 Sub-1 K 冷卻：第 2 部分

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。

第 1 部分介紹了量子計算的需求和稀釋冰箱的作概念。這部分著眼于單元的結(jié)構(gòu)。

在稀釋冰箱中，發(fā)生同位素混合的隔離環(huán)境恰如其分地稱為混合室。這是相邊界所在的位置，也是當 He-3 泵送通過相邊界時發(fā)生冷卻的地方。稀釋裝置的其他重要部件包括蒸餾室、連續(xù)流換熱器（螺旋形式）和階梯式換熱器，如圖 1 所示。

圖 1.稀釋-冰箱冷卻循環(huán)有多個階段：1.富氦-3氣相，2.蒸餾器，3.熱交換器，4.氦-3-貧相，5.混合室，6.相分離，7.富氦-3相。（圖片來源：Bluefors OY/芬蘭）

在穩(wěn)態(tài)運行中，He-3 通過氣體處理系統(tǒng)泵入稀釋裝置。它進入稀釋裝置，首先由脈沖管低溫冷卻器預(yù)冷（其工作原理完全不同，不在本文范圍之內(nèi)）預(yù)冷至約 3 K，然后通過靜止室中的主流路。

從那里，它進入連續(xù)流熱交換器，然后進入階梯式熱交換器，冷卻進入混合室的 He-3。He-3 從混合室進入靜止室，在這個氣相中通過靜止泵送管線蒸發(fā)，最終回到過程的起點。

熱交換器的效率決定了稀釋冰箱的效率。傳入的 He-3 應(yīng)盡可能由傳出的 He-3 冷卻。He-3 的循環(huán)速率決定了可用的冷卻功率。如果換熱器能夠處理增加的流量，則更大的流量會導(dǎo)致冷卻功率增加。

在另一個“這沒有意義”的例子中，蒸餾器和混合室板的溫度由加熱器控制——畢竟，你正試圖讓東西冷卻，那么為什么要增加熱量呢？混合室用于診斷目的，但靜止室加熱對于設(shè)備的運行至關(guān)重要。如果沒有加熱，靜止室中的蒸氣壓就會變得非常小，以至于泵無法有效循環(huán) He-3，從而導(dǎo)致冷卻功率降低。

因此，必須對蒸餾器施加熱量以增加蒸發(fā)。由于 He-3 的蒸氣壓比 He-4 大，因此該過程將 He-3 從混合物中蒸餾出來（氣相中的 He-3 濃度為 ~90%）。He-3 氣體從蒸餾器中蒸發(fā)后，通過氣體處理系統(tǒng) （GHS） 泵送，在那里被凈化，然后重新引入冷凝管線。

有關(guān) He-3 與 He-4 的更多信息

您可能還記得化學(xué)或物理課上給定元素的同位素既相同又不同，具體取決于您的觀點和您正在做的事情。氦氣就是這一現(xiàn)實的證明。He-3 比 He-4 輕，這意味著液體中原子之間的結(jié)合能較弱。這導(dǎo)致蒸發(fā)潛熱較低，而 He-3 潛熱較低，蒸氣壓較高。

回想一下，He-3 由 3 個核子組成，這使其成為費米子;He-4 有 4 個核子，是一種玻色子。這種細微的差異是稀釋制冷的基礎(chǔ)。

純 He-3 的核自旋為 I = 1/2;它遵循費米統(tǒng)計和泡利不相容原理，這阻止了它經(jīng)歷超流體躍遷，直到溫度低得多，此時自旋成對，然后服從玻色子統(tǒng)計。純 He-4 的核自旋為 I = 0，始終服從玻色子統(tǒng)計，并在 2.17 K 時轉(zhuǎn)變?yōu)槌黧w。

一個很好的問題是氦氣及其同位素從何而來？首先，您必須識別任何形式的氦氣的來源。這似乎令人難以置信，但卻是事實;元素氦（一種惰性氣體）是天然氣和石油鉆探和開采的副產(chǎn)品;它不是來自出售氣球的派對商店。

如圖 2 所示，氦氣是鈾和釷的放射性衰變產(chǎn)物，如果知道這一事實，可能會嚇到很多人。該反應(yīng)的結(jié)果是α粒子，其中包含兩個中子和兩個質(zhì)子。然后，這些小碎片從周圍環(huán)境中收集電子并形成氦，氦氣一直“被困”在地殼下方，直到被釋放。

圖 2.大多數(shù)人不知道涉及鈾和釷的放射性現(xiàn)實是導(dǎo)致氦形成的原因。（圖片：美國化學(xué)學(xué)會）)

至于它的同位素，情況就更復(fù)雜了。雖然 He-4 是從天然地下氦儲量中提取的，但 He-3 是一種更罕見的同位素，是作為核反應(yīng)（氚衰變或氘-氘聚變反應(yīng)）的副產(chǎn)品產(chǎn)生的。

除非在碳氫化合物鉆探和提取階段捕獲，否則氦氣會立即逸出到大氣中。它非常輕，然后飄入外太空，永遠無法被重新捕獲，這與空氣中其他較重的氣體不同，如氮氣、氧氣、氖氣、氬氣、二氧化碳、水蒸氣和甲烷。一旦派對氣球被刺破或泄漏，它的氦氣就永遠消失了。這就是為什么氦氣的大量用戶（氣象氣球、飛艇、焊機和過冷 MRI 機器）都重新捕獲和再利用這種稀有且短暫的氣體。

本文的最后一部分著眼于稀釋制冷的替代方案。