稀释制冷机

十毫开

最底下这块板叫混合室板，工作温度在 10 毫开以下，也就是绝对零度以上百分之一度。量子处理器就挂在它下面的屏蔽罩里。

宇宙微波背景的温度是 2.725 开。这里比它冷两三百倍。

混合室 ≤ 10 毫开 · 宇宙背景 2.725 开

为什么要这么冷

超导量子比特是超导电路，先要冷到超导。更难的要求来自热：热运动的能量约为 kT，量子比特两个能级的差是 hf。频率 5 吉赫时，hf/k ≈ 0.24 开。

kT 必须远小于 hf，量子比特才不会被热“踢”到上面的能级。在 4 开，它几乎一半时间处在激发态；在 20 毫开，热激发的概率约百万分之六；在 10 毫开，约一千亿分之四。

hf/k = 0.24 开（5 吉赫）· 激发概率 ≈ e^(−hf/kT)

剖开：一层一层

外面是真空罩，里面套着几层防辐射罩，每层挂在一块板上。板是镀金的铜，导热好；板与板之间用细的玻璃纤维杆连着，导热差。

从上往下：室温顶板、约 40 开、约 3 开、蒸馏室约 0.8 开、冷板约 0.1 开、混合室约 0.01 开。叫法上，这几层常被称为 50 开板和 4 开板，实际温度更低一些。

300 开 → 约 40 开 → 约 3 开 → 约 0.8 开 → 约 0.1 开 → ≤ 0.01 开

脉冲管：到 4 开

头两层由脉冲管制冷机冷却。压缩机让氦气在管里周期性地压缩、膨胀，把热从下往上搬走，管里没有在低温下运动的零件。

这类机器叫“干式”制冷机：不用灌液氦。常见的脉冲管在 4.2 开时能抽走 1 到 2 瓦的热。

第一级约 40 开 · 第二级约 3 开 · 4.2 开时 1–2 瓦

氦三和氦四分层

再往下要靠氦的两种同位素。氦三和氦四混合，低于 0.87 开会分成两层：上面几乎是纯氦三，下面是以氦四为主的稀相。

就算接近绝对零度，稀相里仍溶有约 6.5% 的氦三。混合室里，氦三原子从上层穿过界面进入稀相，像液体蒸发成气体一样要吸热。这一步就是制冷。

0.87 开以下分层 · 稀相含氦三约 6.5%

一圈循环

稀相通过换热器一路连到上面的蒸馏室。蒸馏室约 0.8 开，在这里氦三比氦四容易蒸发得多，抽出的气体九成以上是氦三。氦三被抽走，混合室里的氦三就不断穿过界面补上来。

抽出的氦三在室温下被压缩，再沿冷凝管流回：经脉冲管冷却、液化，穿过一串换热器，被回流的冷液预冷，重新进入混合室上层。常见流量每秒不到 1 毫摩尔。

蒸馏室抽气 → 压缩 → 冷凝 → 换热器 → 混合室

一路衰减的导线

控制量子比特的微波信号从室温送下来。导线本身也把室温的热噪声带下来：在 6 吉赫，300 开相当于每个模式上千个热光子。

所以线上在 4 开、冷板和混合室各装一个 20 分贝的衰减器。每一级把上面来的噪声削掉 99%，再补上自己那一级温度的少量噪声。到了混合室，只剩约千分之二。读出信号往上走，先在混合室经过隔离器，再由 4 开板上的高电子迁移率晶体管放大器放大。

20 + 20 + 20 分贝 · 热光子 约 1000 → 约 0.002

拆开来看

真空罩和防辐射罩往下取下来，露出各层板。降温要先抽真空，再从室温冷下来，常见机型约一天。

指针停在哪一层上，哪一层就会被单独托出来，标出名字。