2023年6月14日，《nature communications》在线发表了M. Lucas等人的研究论文“Quantum bath suppression in a superconducting circuit by immersion cooling”，该文利用核绝热去磁制冷机研究了液体3He浸泡下超导量子电路的性能。研究发现通过电子自旋共振谱测量发现表面自旋可以被冷却到更低的温度；同时通过噪声测量发现与超导电路耦合的二能级系统的弛豫速率增加了三个量级。这些结果表明液体3He不仅通过更好的冷却效果起作用，同时通过与量子电路基底材料中缺陷的相互作用使得噪声大幅降低。这种做法可以减少量子电路中的退相干，同时不会引入额外的电路损耗或噪声，为量子处理器的热管理和相干管理开辟了新的途径。
热管理是经典计算机硬件的一个核心问题，对于超导量子处理器也有类似的问题，各种与温度相关的因素限制了它们的相干性指标，而量子处理器的规模扩大不可避免地加剧了这个问题，减小退相干性机制的影响对于提高容错性指标至关重要。
在低温和真空环境中实现超导量子电路的冷却颇具挑战性，因为通过超导材料中的准粒子和声子以及基底的声子传热都变得低效。大量实验数据表明，在低于约50 mK的温度下（远高于稀释制冷机所能提供的基础温度（约为10 mK），可观测物理量如量子比特的布居数、量子比特相干时间、频率噪声、表面电子自旋极化和量子比特的磁通噪声等都变得与温度无关。
人们会自然地认为尽可能把超导电路冷却至更低温度会降低噪声，但这并不完全准确。为了降低源自平衡态准粒子或残余量子热激发的影响，温度应显著低于相关的能量尺度（例如对于在6 GHz下工作的器件其温度应<<300 mK）。然而，在远低于这个温度的情况下，其他退相干性机制会出现，特别是与器件的介电基底材料相关的机制。这些材料中含有缺陷，而这些缺陷作为二能级系统（TLS）出现，导致随着温度的降低，噪声会增加。
为此，本文提出了一种与众不同的方法来应对这些挑战，即通过将超导电路浸泡在液态3He中进行冷却。作为费米液体的3He的热导率随温度降低而增加，将其冷却至低于1 mK的方法相当成熟。相比之下，在这个温度区间，液态4He完全是超流体，热导率差并且具有相对较高的边界热阻。从下文中也将看到，3He的作用不仅仅是作为更好的冷却介质，同时也通过与TLS相互作用等改善超导量子电路的性能。
作者构建了一个适用于超导量子电路的浸泡式冷却单元，其基本的原理和结构如图1所示。图1a和图1b对比展示了通过3He浸泡可以更好地冷却量子电路的环境。图1c是本文研究的超导谐振器示意图，图1d给出了具体实验装置的结构：一个封闭的铜质腔体中放置具有蓝宝石基底的平面NbN 超导谐振器，该单元采用可防止超漏的密封结构，既可以保持真空，也可以通过毛细管注入3He实现液体浸泡。它配备了全封闭的射频通道和射频滤波器，从而实现受控的微波环境。该腔体继而安装在一台绝热核去磁制冷机（ANDR）的冷板上，后者通过一个超导热开关与干式稀释制冷机的混合室冷板（10 mK）连接，噪声温度计测量显示ANDR的冷板（位于ANDR超导磁体的场补偿区域）可以达到约400 μK。为了确保液体3He良好地与金属外壳热平衡，单元内部采用了银粉烧结结构。利用这一装置，作者研究了表面自旋极化，同时测量分析了量子电路的噪声Sy和品质因子Qi。
样品表面自旋极化通过电子自旋共振（ESR）测量，芯片上的ESR测量不仅可以揭示通过磁动量与超导谐振器耦合的多余表面自旋（这个表面自旋会导致磁通噪声），而且还可以作为相关温度范围内的内禀温度计。
此前在耦合到量子电路的自旋实验研究中发现自旋极化饱和发生在约50 mK。作者在图2中展示了在本文3He浴的情况下，表面自旋被冷却到更低的温度，这通过氢原子中产生的标号为1和3的两个峰的变化体现出来（氢原子来源于加工过程或表面吸附）。氢原子中的超精细相互作用导致两个电子自旋跃迁，它们在能量上相隔1.42 GHz（=68 mK），其相对强度遵循玻尔兹曼分布。如果自旋被冷却到接近零开尔文，涉及较高能级的跃迁（峰值3）将会消失，这种趋势在液态3He浸泡的情况下明显可见，表明表面自旋的热化得到改善。
图2 不同冷却条件下的表面电子自旋谱，5.85 GHz谐振器（原文图2）
在噪声测量中，图3比较了一个6.45 GHz谐振器在真空中或3He浸泡时1/f频率噪声的温度依赖关系。与之前的许多实验类似，真空中测量的噪声遵循幂律 T-1.5 随温度降低而增加，然后在低于80 mK的温度下饱和（绿色图标），其原因是热化不足。当腔体被液态3He填充时，情况变得大不相同：在100 mK以上时，噪声的强度与温度依赖性在真空和3He中是相同的，但是在某个交叉温度80 mK以下，噪声开始根据幂律 T^0.25 随温度减小（红色和蓝色图标），这种趋势一直持续到1 mK附近。由此可见，3He浸泡打破了预测的随冷却而增加的噪声趋势（通常预期会持续到远低于10 μK），在1 mK时测得的噪声比依据真空下幂律 T-1.5所推算的噪声低了三个数量级以上。
图3 真空和3He浸泡下噪音Sy的变化，
代表平均光子数，反映的是微波
功率（原文图3a）
将超导电路浸入液体3He中导致的另一个显著效应显示在谐振器的内部品质因子Qi 与微波功率的依赖关系上，图4展示了三个温度下的情况。无论是在真空中还是在液态3He中，微波激发功率的增加都会导致Qi的增加，这是由于已知的TLS饱和现象。两者比较之后可以发现，对于浸入3He中的谐振器来说，1000倍更高的功率可以实现相同的Qi，即特征TLS饱和功率出现了三个数量级的显著增加，这反映了3He 浸泡导致TLS平均弛豫率增加约三个量级。
图4 谐振器的内部品质因子 Qi 与微波功率的关系（原文图4a）
为了理解全部实验数据，首先作者关注噪声已经被充分理解的100mK至250mK区域。在这个区域，无论是在真空中还是在 3He中，噪声都在冷却过程中增加，与先前的观察一致，并完全可以由描述TLS缺陷相互作用的广义隧道模型（GTM）阐述，而在更低温度下，作者指出TLS与3He之间的相互作用应当是弛豫率增加的主要因素，从而导致噪声在进一步冷却过程中显著下降。
3He-TLS 的耦合机制在低温下尚未得到详细研究，理解作用机制的细节对于未来的改进至关重要。为了理解这一相互作用，作者提到可能的通过范德瓦尔斯力导致声子和TLS作用的机制，甚至表面TLS与3He中准粒子之间的直接相互作用等，通过附录的两个实验也显示了背后机制的复杂性，厘清这一机制需要进一步的理论和实验工作。
最后，作者讨论了液体3He 的介电性质。在浸泡入液体3He后，谐振器频率的变化与3He的介电常数的影响吻合，同时作者把损耗正切值的边界等效估算为对量子比特相干时间的限制，结果表明 3He浸泡与目前的量子电路技术兼容。
总之，3He浸泡冷却为探索量子电路中退相干机制的来源开辟了一条新途径，并为进一步抑制退相干提供了一个有前途的方法。即便温度升高至稀释制冷机所能提供的约10 mK左右的范围，使用3He浸泡也是有益的。
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