去年IBM公布了他們的“黃金眼(Goldeneye)項目”：為量子計算機造一台前所未有的超大稀釋制冷機(俗稱冰箱，科學家也叫它大桶)——包含1.7立方米的實驗容積，可以将比三個家庭廚房冰箱更大的容積冷卻到比外太空更冷的溫度，而以前的制冷機在0.4-0.7立方米的範圍内。這是世界上實驗容積最大的稀釋冰箱。

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今天，IBM終于宣布成功地将“黃金眼”冷卻到工作溫度(~25 mK)，并在内部連接了一個量子處理器[1]。黃金眼将很快轉移到位于紐約的IBM量子計算中心，該中心正在探索大型低溫系統，以最好地滿足未來量子數據中心的冷卻需求，例如正在開發的用于IBM System Two的Bluefors Kide平台。IBM表示，“我們希望它的創新設計，着眼于易用性，将激發下一代真空和低溫制冷技術。”

“黃金眼”稀釋制冷機的内部

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如何制造世界上最大、最冷的冰箱？

稀釋制冷機是一種實驗性低溫設備，使用兩種氦同位素(氦-3和氦-4)的混合物，将空間容積冷卻到毫開爾文(mK)範圍，即絕對零度(-273.15℃)以上千分之幾度。

稀釋制冷機通過使用多個步驟從氦同位素混合物中去除熱量來進行冷卻，然後使用真空泵将氦-3循環并稀釋到氦-3/氦-4混合物中，直到達到目标溫度。早期階段，所有稀釋制冷機都是“濕”系統，需要像液氮和其他低溫液體這樣已經很冷的物質來開始冷卻。今天的制冷機更常見的是“幹燥的”，即無液氦稀釋制冷機：采用一種稱為低溫冷卻器的機械部件，提供初始50 K和4 K的溫度，用于預冷卻氦混合物。

這些都是先進的機器，因此很難擴大規模。“黃金眼”項目采用了全新的框架和低溫恒溫器結構——負責冷卻的主要桶形組件——以最大限度地增加實驗容積，同時降低噪聲，達到冷卻實驗量子硬件所需的溫度。該設計是模塊化的，這使得原型設計、組裝和拆卸對于一個由四名IBM工程師組成的團隊來說更容易。其他大型稀釋制冷機可能需要更大的起重機和十幾名或更多的技術人員進行組裝和拆卸。

低溫恒溫器還具有蛤殼式設計，允許外部真空室側向打開，無需移除整個外殼即可接觸内部硬件。如今大多數稀釋制冷機都需要一組操作員才能正常工作，但黃金眼的全自動系統包括一個專門設計的懸臂起重機，未來甚至可以一個人操作冰箱——這可以在開源可視化平台的幫助下遠程監控。

“黃金眼”稀釋制冷機全景

低溫恒溫器的内部能夠安裝一組10個内部闆(internal plates)，用于在其上半部和下半部安裝組件：五個“常規”單元在頂部，五個倒置單元在底部。它還可以容納多達六個單獨的稀釋制冷機單元，在100 mK溫度下能夠實現近10 mW的冷卻功率，在4 K溫度下能夠實現超過24 W的冷卻功率。最後，整個系統的重量(6.7公噸)也有助于抑制振動，減少了對其他常用抑制技術的需求。

最重要的是，IBM表示，它是有效的。從項目開始到目前的25 mK裡程碑，僅僅過了三年，就能夠将量子比特芯片放入其中。

這項測試完成了對量子比特頻率和相幹時間的測量，通過觀察一個量子比特展示了黃金眼的性能。相幹時間450微秒，相當于在其他商用稀釋制冷系統上測得的相幹時間。盡管不同的内部環境和更大的實驗容積，也沒有觀察到量子比特性能的下降。

IBM表示，盡管它很大，但是很高效。容納等量的量子硬件，它比現在的大型稀釋制冷機需要更少的空間。在當今最先進的制冷機中部署同等硬件需要10倍的實驗室空間。

IBM也表示，“我們不知道用于冷卻未來量子計算機的制冷機是否真的會這麼大。但黃金眼可以使我們可以考慮許多不同的方式來擴展我們的量子處理器，甚至在2025年之後，并将幫助我們進一步概念化未來量子數據中心的低溫基礎設施。最重要的是，每當我們突破一個技術邊界，我們都會學到一些新的東西。通過簡單地構建黃金眼，我們團隊測試了低溫科學的極限，同時告訴我們什麼樣的大規模量子實驗可能很快就可行。随着我們繼續為世界繪制量子路線圖，從這個項目中學到的經驗可能會用于未來的IBM Quantum System 3。”

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帶給我們什麼啟示？

今天聽到這個消息，我的第一反應是震驚，第二反應是擔憂。我們能不能建造這麼大的稀釋制冷機？就目前來看，答案是否定的。25 mK的小型稀釋制冷機，國内尚且做不到商業化程度(主要通過Bluefors、牛津儀器等企業進口)，更何況是如此龐大的制冷機。

盒叔建議，所有量子計算業内人士都應該關注這一事件。盒叔還設想了幾個問題，這些問題的答案甚至可能颠覆量子計算行業格局。

第一，量子比特擴展是否真的需要這麼大的冰箱？有沒有一種替代的擴展方法不需要這麼大的冰箱？或者有沒有一種新的制冷方式(這可能需要一種新的物理學)？

第二，其他公司有沒有能力制造這麼大的冰箱？如果沒有，可以從IBM那裡購入嗎？對于國内公司，會不會像AMSL光刻機那樣被禁購？

第三，百萬量子比特是否需要更大的冰箱？黃金眼計劃容納4000量子比特，那麼将來容納百萬量子比特的冰箱會擴大多少倍？這實際上是與計算機小型化發展趨勢背道而馳的。

第四，如果我們解決不了稀釋制冷機越來越大的問題，是否應該發展室溫量子計算機？例如光量子計算機，除了單光子探測器目前需要制冷，計算過程都是在室溫下進行的。

這些都是懸而未決的問題，亟待量子計算業内人士進行探索。

對了，盒叔還有最後一個問題：随着稀釋制冷機越來越大，氦氣會不會不夠用(實際上氦氣供應不足由來已久)？

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