CN113552931A - 用于低温室的测试环境 - Google Patents
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Abstract
本发明题为用于低温室的测试环境。提供了一种实验有效载荷和低温系统。提供了一种包括低温室的实验有效载荷。该低温室包括被配置为被低温冷却到动作温度的动作室。该低温室还包括经由内部编织系统冷却的内部冷却环。该内部冷却环被配置为在第一温度下操作。该低温室还包括与内部冷却环连通的外部环。该外部环被配置为从实验有效载荷吸收热量。该外部环限定大于第一温度的第二温度。该低温室还包括在每个支腿的顶端处能够操作地联接到低温室的多个支腿。该支腿的特征在于低热导率，并且实验有效载荷被配置为附接到低温冷却器的基部。
Description
联邦赞助研究或开发
本发明是在美国政府的支持下进行的。美国政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
各种实施方案涉及一种低温冷却系统。例如，各种实施方案涉及用于超高真空环境的具有低振动的低温冷却系统。
背景技术
在各种情况下，动作(例如，实验、受控状态演化、反应、功能性能等)将在低温的动作温度下进行。一般来讲，认为0K至124K范围内的温度是低温温度。这些动作中的一些动作需要精确控制除温度之外的其他环境参数。例如，该动作可能需要在振动量(例如，由于冷却)最小的区域内执行。通过付出的努力、独创性和创新，这些认识到的问题中的许多已通过本公开的方法和装置来解决。
发明内容
下文呈现了简化概述，以便提供对本公开的一些方面的基本理解。该发明内容不是详尽综述，并且既非旨在识别关键元件或重要元件，亦非描写此类元件的范围。其目的在于作为后文所提供的具体实施方式的序言，以简化形式给出所述特征的一些概念。
在示例性实施方案中，提供了被配置用于低温冷却器的实验有效载荷。该实验有效载荷包括低温室。该低温室还包括被配置为被低温冷却到动作温度的动作室。该低温室还包括经由内部编织系统冷却的内部冷却环。该内部冷却环被配置为在第一温度下操作。该低温室还包括与内部冷却环连通的外部环。该外部环被配置为从实验有效载荷吸收热量，并且该外部环限定大于第一温度的第二温度。该低温室更进一步包括多个支腿，该多个支腿在每个支腿的顶端处能够操作地联接到该低温室。支腿的特征在于低热导率。实验有效载荷被配置为附接到低温冷却器的基部。
在一些实施方案中，该动作温度被限定在第一温度和第二温度之间。在一些实施方案中，该实验有效载荷被配置为经由一个或多个热编织物附接到低温冷却器的基部。在一些实施方案中，该实验有效载荷被配置为在真空中使用。在一些实施方案中，该低温室还包括围绕动作室限定的热屏蔽件。在一些实施方案中，该多个支腿由塑料制成。在一些实施方案中，该多个支腿在每个支腿的底端处能够操作地联接到真空基板。在一些实施方案中，该实验有效载荷的热屏蔽件经由一个或多个热编织物附接到低温冷却器的基部。在一些实施方案中，该实验有效载荷还包括低温冷却器。在此类实施方案中，该低温冷却器被配置有闭路冷却系统，该闭路冷却系统被配置为在操作期间减少振动。在一些实施方案中，该闭路冷却系统包括氦气。在各种实施方案中，该闭路冷却系统将热量传导远离实验有效载荷。在一些实施方案中，该内部冷却环在实验有效载荷的操作期间小于100开尔文。
在另一个示例性实施方案中，提供了低温系统。该低温系统包括以上所讨论的实验有效载荷。该低温系统还包括具有闭路氦气冷却系统的低温冷却器，该闭路氦气冷却系统经由一个或多个热编织物与实验有效载荷能够操作地连通。该低温系统限定低温冷却器和实验有效载荷之间的振动间隙。
在一些实施方案中，该动作温度被限定在第一温度和第二温度之间。在一些实施方案中，该实验有效载荷被配置为经由一个或多个热编织物附接到低温冷却器的基部。在一些实施方案中，该实验有效载荷被配置为在真空中使用。在一些实施方案中，该低温室还包括围绕动作室限定的热屏蔽件。在一些实施方案中，该多个支腿由塑料制成。在一些实施方案中，该多个支腿在每个支腿的底端处能够操作地联接到真空基板。在一些实施方案中，该实验有效载荷的热屏蔽件经由一个或多个热编织物附接到低温冷却器的基部。在一些实施方案中，该实验有效载荷还包括低温冷却器。在此类实施方案中，低温冷却器被配置有闭路冷却系统，该闭路冷却系统被配置为在操作期间减少振动。在一些实施方案中，闭路冷却系统包括氦气。在一些实施方案中，内部冷却环在实验有效载荷的操作期间小于100开尔文。
提供上述发明内容仅是为了概述一些示例性实施方案的目的，以提供对本发明一些方面的基本了解。因此，应当理解，上述实施方案仅为示例并且不应理解为以任何方式缩小本发明的范围或实质。应当理解，除了在此发明内容的那些，本发明的范围还涵盖了很多可能的实施方案，这些实施方案中的一些实施方案将在下面进一步描述。
附图说明
因此，已经概括地描述了本发明，现在将参考附图，这些附图未必按比例绘制，并且其中：
图1提供了根据示例性实施方案的示例性动作系统的示意图。
图2提供了根据示例性实施方案的低温系统的外视图。并且
图3提供了根据示例性实施方案的包括示例性低温室的示例性低温系统的剖视图。
具体实施方式
现在在下文中将参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出本发明的一些但不是全部的实施方案。实际上，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使本公开满足适用的法律要求。除非另外指明，否则术语“或”(也表示为“/”)在另选和结合意义上均用于本文。术语“例示性”和“示例性”是用于没有质量水平指示的示例。除非另外指明，否则术语“一般”和“大约”是指在工程化和/或制造极限内和/或在用户测量能力内。在全篇内容中，类似的标号指代类似的元件。
如上所述，在各种低温系统中，重要的是，能够减少低温冷却器引起的振动。本公开的各种实施方案使用配置有低振动和超高真空的闭路低温冷却器。虽然讨论了与量子计算一起使用的各种实施方案，但各种实施方案也可用于其他应用，诸如健康领域中的MRI或MEG应用。在各种实施方案中，该动作室由低温室的内部壳体限定。例如，该内部壳体可设置在低温室内。该内部壳体可包括在内部壳体内限定动作室的壳体壁。在各种实施方案中，该内部壳体设置在热和/或电磁场屏蔽件内。
在各种实施方案中，该低温室包括限定低温室的主室的外部壳体。例如，内部壳体和动作室设置在低温室的主室内。在各种实施方案中，外部屏蔽件设置在外部壳体的外部。例如，该外部屏蔽件可以包括至少一个第二材料片，该至少一个第二材料片包覆外部壳体的外表面。在各种实施方案中，该第二材料为金属、金属合金和/或其他刚性材料。在各种实施方案中，该第二材料可不同于内部屏蔽件的第一材料。在各种实施方案中，当动作室(例如，通过低温系统)保持在动作温度时，预期外部屏蔽件处于外屏蔽件温度下。在示例性实施方案中，该外屏蔽件温度在约30K-100K的范围内。在示例性实施方案中，外部温度为室温(例如，约300K)。
在各种实施方案中，一个或多个中间屏蔽件215可设置在外部壳体的内表面和内部壳体的壳体壁之间。在示例性实施方案中，两个中间屏蔽件设置在外部壳体的内表面和内部壳体的壳体壁之间。例如，中间屏蔽件可设置在主室内和内部壳体的外部。在各种实施方案中，中间屏蔽件包括至少一个第三材料片。该第三材料可以是金属、金属合金和/或其他高热导率材料。在各种实施方案中，第三材料可不同于内部屏蔽件的第一材料和/或外屏蔽件的第二材料。在各种实施方案中，当动作室(例如，通过低温系统)保持在动作温度时，预期中间屏蔽件处于中间温度下。在示例性实施方案中，中间温度在约30K-100K的范围内。在示例性实施方案中，中间温度为40K。
在各种实施方案中，内部壳体和外部壳体包括一个或多个进入开口。在各种实施方案中，该进入开口可为激光束提供进入动作室以进行动作的光学路径、为在动作期间产生的光子提供离开动作室的光学路径、允许光纤或电缆穿过外部壳体和/或内部壳体等等。在示例性实施方案中，低温系统是量子计算机(诸如捕获离子量子计算机)的一部分。在示例性实施方案中，该动作包括准备量子计算机的一个或多个量子比特(例如，在离子阱内)、执行量子计算机的一个或多个量子比特的受控状态演化(例如，经由应用一个或多个量子逻辑门)、刺激量子计算机的一个或多个量子比特的发射(例如，以读取量子比特)等等。
示例性量子计算机系统
图1提供了根据示例性实施方案的示例性捕获离子量子计算机系统100的示意图。在各种实施方案中，捕获离子量子计算机系统100包括计算实体10和量子计算机110。在各种实施方案中，量子计算机110包括控制器30、包封离子阱50的低温室40，以及一个或多个激光源60。在各种实施方案中，一个或多个激光源60被配置为向低温室40的动作室332(参见图3)内的离子阱50提供一个或多个激光束。在示例性实施方案中，低温室和/或其一部分(例如，包括动作室)也是真空室。
在各种实施方案中，计算实体10被配置为允许用户向量子计算机110提供输入(例如，经由计算实体10的用户界面)并且从量子计算机110接收输出、查看输出等。计算实体10可经由一个或多个有线或无线网络120和/或经由直接的有线和/或无线通信与控制器30进行通信。在示例性实施方案中，计算实体10可将信息/数据、量子计算算法等转换、配置、格式化等为控制器30可理解和/或实现的计算语言、可执行指令、命令集等。
在各种实施方案中，控制器30被配置为控制：离子阱50、控制低温室40内的温度和压力的低温系统45和/或真空系统、和/或控制低温室40内的环境条件(例如，温度、湿度、压力等)的其他系统。例如，低温系统45可被配置为将动作室332保持在动作温度下。在各种实施方案中，动作温度为低温温度(例如，在约124K至0K的范围内)，并且低温系统45为低温冷却系统。在各种实施方案中，低温系统45还包括真空系统，该真空系统被配置为将主室342和/或动作室332保持在特定压力下。在各种实施方案中，控制器30被配置为根据由计算实体10提供的可执行指令、命令集等来控制量子计算机110的各种部件。在各种实施方案中，控制器30被配置为从量子计算机110(例如，从光学收集系统)接收输出，并且向计算实体10提供该输出和/或处理该输出的结果。
在各种实施方案中，一个或多个激光源60被配置为生成激光束并经由一个或多个光纤或其他光学路径向低温室40(和/或动作室332)提供激光束，使得激光束被准确且精确地递送到离子阱50内的量子比特离子(例如，精确地就位置、频率和/或相位而言)。在各种实施方案中，光纤64和/或其他光学路径和/或波导可以经由一个或多个进入开口和/或屏蔽件开口向离子阱50和/或动作室332提供激光束。
示例性低温室
图2是根据示例性实施方案的低温系统的外视图。如图所示，低温系统用于真空中。低温系统可包括真空基板200，一个或多个绝缘支腿210附接在该真空基板上。绝缘支腿210附接到本文所讨论的低温室40。在各种实施方案中，低温室40可具有围绕低温室40配置的热屏蔽件215。在各种实施方案中，热屏蔽件215可由良好的热导体制成。在一些实施方案中，可使用热导率大于约1瓦特/米/开尔文的材料制备热屏蔽件215。在一些实施方案中，可使用热导率大于约10瓦特/米/开尔文的材料制备热屏蔽件215。在各种实施方案中，低温室40可经由一个或多个热编织物225连接到低温冷却器220。如图3所示，低温冷却器220和低温室40之间可存在间隙305(例如，以减少振动)。在各种实施方案中，低温冷却器220可具有闭路流体冷却系统300。例如，低温冷却器220可具有闭路氦气交换空间，该闭路氦气交换空间被配置为冷却低温系统(例如，氦气将热量传导远离动作室)。在示例性实施方案中，低温冷却器可重复使用氦气，使得在操作期间可不需要附加的氦气。在各种实施方案中，热编织物310可被配置为在低温冷却器220和低温室40之间传递热量。因此，低温冷却器220可被配置为在低温室40的操作期间冷却低温室40(例如，内部冷却环400)。在各种实施方案中，低温冷却器可以是多级低温冷却器的第一级，使得附加级垂直地附接到第一级低温冷却器(例如，第二级低温冷却器221可附接到第一级低温冷却器220)。
在各种实施方案中，低温冷却器220可经由起重机等垂直地保持在适当位置。在各种实施方案中，低温冷却器220和低温室40之间的振动间隙305可允许基于低温冷却器220减少低温室40所经历的振动。因此，热编织物215中的一个或多个热编织物可将低温冷却器220连接到低温室40(例如，通过振动间隙305连接低温冷却器和低温室)。在各种实施方案中，低温室40可由将低温室40连接到低温冷却器220的一个或多个热编织物进行悬挂。在各种实施方案中，低温冷却器220可通过起重机或其他设备从上方悬挂，以将低温冷却器220保持在氦气交换空间300的中间。在各种实施方案中，热编织物具有允许实验有效载荷冷却的高热导率。
图3提供了低温室40的视图。在各种实施方案中，低温室40包括内部壳体330和外部壳体340。在各种实施方案中，内部壳体330包括壳体壁334。在各种实施方案中，内壁334限定本文所讨论的内部环。壳体壁334限定动作室332。在各种实施方案中，可在对应的动作温度下在动作室内执行一个或多个动作。例如，该动作可以包括进行实验、受控状态演化、化学反应、执行功能等等。在示例性实施方案中，离子捕获量子计算机110的离子阱50设置在动作室332内。在各种实施方案中，外部壳体340限定主室342。内部壳体330和动作室332设置在主室342内。在各种实施方案中，内部壳体330可具有用于光学进入的一个或多个窗口。另选地，可不在内部壳体上提供窗口，使得没有光可穿透内部壳体330。在各种实施方案中，内部壳体330和/或外部壳体340由金属制成。例如，内部壳体330和/或外部壳体340可由高热导材料诸如铜制成。
在各种实施方案中，低温室40可具有一个或多个隔热支脚350，该隔热支脚被配置有最小热导率，使得几乎不发生热传递或不发生热传递。在各种实施方案中，绝缘支脚350可由低热导材料诸如塑料或陶瓷制成(例如，绝缘支脚350可由聚酰亚胺诸如Vespel制成)。在示例性实施方案中，绝缘支脚350的热导率可小于1瓦特/米/开尔文。在示例性实施方案中，绝缘支脚350的热导率可小于0.5瓦特/米/开尔文。在示例性实施方案中，绝缘支脚350的热导率可小于0.25瓦特/米/开尔文。在示例性实施方案中，绝缘支脚350的热导率可为约0.1瓦特/米/开尔文。
另外，低温室40可经由一个或多个绝缘支腿210连接到真空基板200。在各种实施方案中，绝缘支腿210可由具有低热导率的材料诸如塑料或陶瓷制成(例如，绝缘支腿210可由陶瓷诸如Macor制成)。在示例性实施方案中，绝缘支脚350的热导率可小于2瓦特/米/开尔文。在示例性实施方案中，绝缘支脚350的热导率可小于1.5瓦特/米/开尔文。在示例性实施方案中，绝缘支脚350的热导率可小于1.25瓦特/米/开尔文。在示例性实施方案中，绝缘支脚350的热导率可为约1瓦特/米/开尔文。例如，在低温室40可由铜、铝、它们的组合等制成的情况下，绝缘支腿210可由塑料制成。在一些实施方案中，绝缘支腿210可由陶瓷材料制成。
低温室联接到低温系统，该低温系统被配置为将动作室332和/或内部壳体330保持在动作温度下。当动作室332保持在动作温度下时，外部壳体340保持在第二温度下。在各种实施方案中，动作温度为低温温度(例如，在0K至124K的范围内)。在各种实施方案中，内部壳体330和/或外部壳体340包括进入开口。在各种实施方案中，该进入开口允许激光束进入主室342和/或动作室332；允许光纤和/或电缆向主室342和/或动作室332的内部提供激光束、电信号等；等等。
在各种实施方案中，低温室40被配置为使动作室332绝缘，使得低温系统45可将动作室332保持在动作温度下。在各种实施方案中，低温室40被配置为将主室342和/或动作室332与低温室40外部的外部环境阻隔，使得可独立于外部环境来控制主室342和/或动作室332内的压力。例如，低温室40可以是真空室。
在各种实施方案中，低温室40可具有可附接到内部编织系统的内部冷却环330(例如，来自低温冷却器220的热编织物225可向内部冷却环330提供冷却)。在各种实施方案中，内部冷却环330被配置为保持在相对低的温度(例如，第一温度)下。在一些实施方案中，内部冷却环330可保持小于10K。在一些实施方案中，内部冷却环330可保持小于7K。在一些实施方案中，内部冷却环可保持为约4K。在各种实施方案中，动作室的动作温度可处于或接近内部冷却环330的第一温度(例如，动作室可处于或略高于内部冷却环330的第一温度)。另外，在各种实施方案中，动作室可具有多个层，使得最内层可具有处于或接近内部冷却环的第一温度的温度(例如，小于10K)，而下一层可具有更高的温度(例如，下一层的温度可为约40K)。在各种实施方案中，热屏蔽件215在操作期间的温度可小于50K。
在各种实施方案中，低温室40可包括外部环，该外部环被配置为与内部冷却环330传递热量。在各种实施方案中，外部环可被配置为在高于内部冷却环330的第一温度的第二温度下操作。在一些实施方案中，外部环的温度可为200K至400K。在一些实施方案中，外部环的温度可为250K至350K。在一些实施方案中，外部环的温度可为300K。
结论
本发明所属领域的技术人员在受益于前述描述和相关附图中呈现的教导之后，将想到本文所阐述的本发明的许多修改和其他实施方案。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施方案，并且修改和其他实施方案旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定术语，但它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制的目的。
Claims (10)
1.一种被配置用于低温冷却器的实验有效载荷，所述实验有效载荷包括：
低温室，所述低温室包括：
动作室，所述动作室被配置为被低温冷却到动作温度；
内部冷却环，所述内部冷却环经由内部编织系统冷却，其中所述内部冷却环被配置为在第一温度下工作；以及
外部环，所述外部环与所述内部冷却环连通，其中所述外部环被配置为从所述实验有效载荷吸收热量，其中所述外部环限定大于所述第一温度的第二温度；以及
多个支腿，所述多个支腿在每个支腿的顶端处能够操作地联接到所述低温室，其中所述支腿的特征在于低热导率，
其中所述实验有效载荷被配置为附接到低温冷却器的基部。
2.根据权利要求1所述的实验有效载荷，其中所述动作温度被限定在所述第一温度和所述第二温度之间。
3.根据权利要求1所述的实验有效载荷，其中所述实验有效载荷被配置为经由一个或多个热编织物附接到所述低温冷却器的所述基部。
4.根据权利要求1所述的实验有效载荷，其中所述实验有效载荷被配置为在真空中使用。
5.根据权利要求1所述的实验有效载荷，其中所述低温室还包括围绕所述动作室限定的热屏蔽件。
6.根据权利要求5所述的实验有效载荷，其中所述实验有效载荷的所述热屏蔽件经由一个或多个热编织物附接到所述低温冷却器的所述基部。
7.根据权利要求1所述的实验有效载荷，其中所述多个支腿在每个支腿的底端处能够操作地联接到真空基板。
8.根据权利要求1所述的实验有效载荷，还包括所述低温冷却器，其中所述低温冷却器被配置有闭路冷却系统，所述闭路冷却系统被配置为在操作期间减少振动。
9.根据权利要求8所述的实验有效载荷，其中所述闭路冷却系统包括氦气。
10.根据权利要求1所述的实验有效载荷，其中在所述实验有效载荷的工作期间，所述内部冷却环的温度小于100开尔文。
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