آلومینیوم و آلیاژهای فوق خالص برای سخت افزار محاسبات کوانتومی

پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا از لایه‌های آلومینیومی نازک ساخته شده‌اند و خلوص فلز رسوب‌شده محدودیت سختی را برای مدت زمان ماندگاری یک حالت کوانتومی ایجاد می‌کند. آلومینیوم 6N با خلوص{1} بسیار بالا (99.9999٪ Al) برای الکترودهای اتصال جوزفسون مشخص شده است زیرا ناخالصی های محلول مانند تله های شبه ذره ای عمل می کنند که آرامش انرژی را تسریع می کنند. با هدف 6N، پشته های اتصال به طور معمول در زمان های پیوستگی بالای 200 میکرو ثانیه در 15 mK، دمای پایه یک یخچال رقیق، مشخص می شوند.

چرا آلومینیوم فوق خالص انسجام کیوبیت را کنترل می کند؟

بسته های پردازنده کوانتومی نیز از همین قانون پیروی می کنند. محفظه های آلومینیومی آنودایز شده یک محفظه رسانا و غیر مغناطیسی ارائه می کنند که تداخل الکترومغناطیسی را کاهش می دهد، در حالی که بسترهای آلومینیومی{2}سیلیکونی از چگالی اتصال مورد نیاز معماری پردازنده با بیش از 100 کیوبیت فیزیکی پشتیبانی می کنند. تطبیق انبساط حرارتی زیرلایه و متالیزاسیون باعث می‌شود تا سطح ترک-در طی چرخه‌های مکرر سرد- پایین نگه داشته شود.

برای تامین مواد، مشخصات عملی یک عدد نیست بلکه یک زنجیره است: خلوص هدف، عمل نورد و بازپخت، پرداخت سطح، و شرایط خلاء محفظه رسوب‌گذاری. ردیابی آهن، سیلیکون و مس عناصری هستند که اغلب کنترل می شوند، زیرا هر یک از آنها دمای بحرانی فیلم را تغییر می دهند و عرض انتقالی را که الکترونیک بازخوانی باید برطرف کند، افزایش می دهد.

ساخت یخچال کرایوستات و رقیق سازی

سخت افزار مکانیکی اطراف تراشه کیوبیت به همان اندازه خلوص- رانده می شود. سطوح آلیاژی 1100 الکتروپلی شده، گاز خروجی هیدروژن را در خلاء بسیار بالا به حداقل می رساند، نیازی که معمولاً با غربالگری ضایعات جرم ASTM E595 قبل از پذیرش محفظه تأیید می شود. سپرهای تابشی آلومینیومی چند لایه میدان مغناطیسی خارجی بالای 100 گاوس را تضعیف می‌کنند و قاب‌های 6061-T6 جوش داده شده بارهای حدود 100 کیلوگرم را حمل می‌کنند در حالی که لرزش را زیر یک میکرومتر جابجا می‌کنند.

ورق آلیاژی 1100:پولیش الکتریکی و{0}}پخت در خلاء برای خروج گاز کم در محفظه کیوبیت.

اکستروژن و صفحه 6061-T6:قاب های ساختاری جوش داده شده، صفحات نیمکت نوری، رابط های نصب میرا شده.

آلیاژ 3003:اجسام ثابت و مبدل حرارتی-هیدروفرم شده که خنک‌سازی مداوم را تا 10 mK حفظ می‌کنند.

سیم کامپوزیت آلومینیومی-نیوبیوم:هدایت حرارتی تقریباً 100 W/(m·K) زیر 4 K بین مراحل.

اجزای آنودایز شده:سطوح دی الکتریک{0}}یکنواخت و غیر مغناطیسی برای دستگاه های سیم کشی RF و DC.

هنگامی که سطح داخلی و کیفیت جوش کنترل می شود، سکوهای هیدروفرم شده 3003 به خنک کننده مداوم تا 10 mK دست می یابند. سیم‌های کامپوزیت آلومینیوم{3}}نیوبیوم گرما را در حدود 100 W/(m·K) زیر 4 K هدایت می‌کنند، که آن‌ها را به گزینه‌ای عملی برای اتصال مراحل تراکم تبدیل می‌کند. صفحات نصب ارتعاشی{7}}مسیر ارتعاش را تکمیل می‌کنند: یک یخچال رقیق‌کننده با 500 جزء آلومینیومی یا بیشتر فقط زمانی مطابق مشخصات عمل می‌کند که هر رابط مکانیکی برای سختی طراحی شده باشد تا جرم.

زنجیره های بازخوانی، تشدید کننده ها و تصحیح خطا

سخت افزار بازخوانی حالت های کوانتومی شکننده را به سیگنال هایی تبدیل می کند که الکترونیک کلاسیک می تواند پردازش کند و آلومینیوم ماده ای است که بیشتر این کار را انجام می دهد. حفره‌های آلومینیومی ابررسانا حالت‌های کوانتومی را برای بیش از یک ثانیه ذخیره می‌کنند، که آن‌ها را به عنوان عناصر حافظه و فیلترهایی برای خطوط مایکروویو تغذیه‌کننده پردازنده مفید می‌سازد.

طرح‌های ترانمون سه‌بعدی از آلومینیوم-روی-ساختارهای یاقوت کبود استفاده می‌کنند که در نتایج آزمایشگاهی منتشر شده به گیت وفاداری 99.95% می‌رسند، و تقویت‌کننده‌های پارامتری ساخته‌شده از اتصالات آلومینیومی نزدیک به حد کوانتومی نویز اضافه عمل می‌کنند. بانک های تشدید کننده که در یک فیلم ساخته می شوند، کیوبیت های زیادی را روی یک خط تغذیه مولتی پلکس می کنند و تعداد کابل های سرد و بار حرارتی را که بر هر مرحله خنک کننده تحمیل می کنند کاهش می دهند.

سنجش کوانتومی، مغناطیس سنجی و مترولوژی

همان ویژگی ماده - حالت ابررسانایی طولانی مدت در دمای میلی‌کلوین - از خانواده دستگاه‌های حسگر پشتیبانی می‌کند:

مغناطیس‌سنج‌های SQUID با حلقه‌های آلومینیومی، میدان‌ها را در محدوده فمتو{0}}تسلا برای اندازه‌گیری‌های ژئوفیزیکی و بیوپزشکی حل می‌کنند.

نوک های میکروسکوپ نیروی اتمی با پوشش های آلومینیومی اسپین های تکی را در سطح نمونه حل می کنند.

فیلترهای RF برودتی مبتنی بر رزوناتورهای آلومینیومی، صدای باند را در خطوط کنترل دفع می‌کنند.

محفظه های خلاء گرانش سنج کوانتومی که از آلومینیوم ماشین کاری شده اند، پایداری ابعادی محکم همراه با نشتی هلیوم-سفتی را فراهم می کنند.

برای همه این کاربردها، زنجیره تامین یک بسته مستند را درخواست می‌کند: تجزیه و تحلیل شیمیایی تایید شده، داده‌های اندازه و گنجاندن دانه‌ها، سوابق جوش نافذ اولتراسونیک یا رنگ{1}}و یک مسیر بسته‌بندی تمیز و کنترل‌شده ذرات- به طوری که یک جزء تمام‌شده، فضای خالی را آلوده نکند.

مرجع مشخصات برای آلومینیوم کوانتومی{0}Grade

مواد اکسترود شده و نورد معمولاً در برابر ASTM B209 برای ورق و صفحه یا ASTM B221 برای اشکال اکسترود شده، با ترکیب شیمیایی گزارش شده به EN 573-3 که در آن مشخصات اروپایی درخواست می شود، عرضه می شود. تلورانس ها و مسطح بودن بر بحث پذیرش صفحه کرایواستات غالب است، زیرا وقتی پشته در 15 mK مونتاژ می شود، یک آستر تاب دار نمی تواند شیم شود.

سوالات متداول

س: چرا آلومینیوم فوق خالص برای کیوبیت های ابررسانا ضروری است؟
اتم های ناخالصی در فیلم به عنوان تله های شبه ذرات عمل می کنند. یک هدف آلومینیومی 6N (99.9999%) این عیوب را محدود می کند به طوری که اتصالات جوزفسون می توانند زمان انسجام بالای 200 میکرو ثانیه را در 15 mK حفظ کنند.

س: کدام آلیاژ آلومینیوم برای رقیق کردن اجزای یخچال استفاده می شود؟
آلیاژ Hydroformed 3003 برای بدنه‌های ثابت و مبدل‌های حرارتی رایج است، در حالی که ورق 1100 الکتروپلی شده برای آسترهای خلاء و صفحه 6061-T6 برای قاب‌های سازه‌ای جوش داده شده استفاده می‌شود.

س: چگونه آلومینیوم از سخت افزار کوانتومی در برابر تداخل محافظت می کند؟
محفظه های آلومینیومی آنودایز شده و سپرهای تشعشع تو در تو، یک سد رسانا و غیر مغناطیسی را تشکیل می دهند که تداخل الکترومغناطیسی و میدان های مغناطیسی خارجی بالای 100 گاوس را کاهش می دهد.

س: سیم های کامپوزیت آلومینیومی{0}}نیوبیوم چه رسانایی حرارتی ارائه می دهند؟
سیم آلومینیومی کامپوزیت-نیوبیوم گرما را در حدود 100 W/(m·K) زیر 4 K هدایت می‌کند در حالی که رسانایی الکتریکی را پایین نگه می‌دارد، که مناسب پیوندهای حرارتی بین مراحل-می‌باشد.

س: آیا می توان از آلومینیوم برای سخت افزار تصحیح خطای کوانتومی استفاده کرد؟
بله. حفره های آلومینیومی ابررسانا حالت های کوانتومی را برای بیش از یک ثانیه ذخیره می کنند و بانک های تشدید کننده آلومینیومی کیوبیت های زیادی را روی یک خط بازخوانی منفرد مضاعف می کنند.

س: خروج گاز بر روی سطوح آلومینیومی کرایوستات چگونه کنترل می شود؟
الکترو پولیش و به دنبال آن پخت در خلاء{0}}اکسیدهای سطح و هیدروژن جذب شده را حذف می کند. نتیجه قبل از مونتاژ بر اساس معیارهای ضایعات جرم ASTM E595 بررسی می شود.

س: چه درجه خلوصی برای آلومینیوم درجه کوانتومی-در دسترس است؟
تولید استاندارد 4N5 تا 6N (99.995٪ تا 99.9999٪) را در ورق و فویل پوشش می دهد، با تجزیه و تحلیل شیمیایی تایید شده و داده های اندازه دانه ارائه شده در هر دسته.