kiutra开发模块化磁制冷冷却器，助力量子系统规模化扩展

正文

本文由骏材磁应用（AIC Engineering）转载。所有权利归原出版商所有；请参阅下方来源。

随着越来越强大的量子计算机投入部署，量子处理器的量子比特数量和复杂性也在不断增长。对于低温系统而言，这意味着低温恒温器数量的显著增加，以及冷却和有效载荷需求的急剧上升，这可能会迅速使现有基础设施过时。传统平台将冷却能力与实验有效载荷紧密耦合，使得升级成本高昂、速度缓慢且难以扩展。德国低温技术开发商kiutra认为，为了跟上量子创新的步伐，低温基础设施必须采用一种根本不同的方法。

如今，这家总部位于慕尼黑的公司基于磁制冷技术推出了新型X-Type系统，引入了可独立扩展的冷却和有效载荷模块。该公司表示，这是首个为伴随量子计算共同成长而构建的毫开尔文架构。X-Type建立在完全模块化的架构之上，通过可独立扩展冷却能力和有效载荷容量的模块，使可扩展性成为核心能力，而无需重新设计系统。

X-Type通过将冷却能力和有效载荷置于独立模块中，打破了扩展限制。可以增加冷却模块以提高热性能，而不干扰有效载荷基础设施；有效载荷模块也可以独立于冷却侧扩展线路密度和可用体积。这种模块化低温方法消除了扩展的上限，使低温基础设施能够随着处理器复杂性的增加而增长。

kiutra高级研究与创新负责人Steffen Säubert博士评论道：“扩展量子计算需要从根本上重新思考低温基础设施。X-Type让客户能够根据量子硬件的发展，逐模块扩展冷却能力——而无需替换他们已经部署的基础设施。”

X-Type的设计不仅注重可扩展性，同样注重运行效率。冷却和有效载荷模块之间的分离使得能够独立访问量子处理器、布线和电子设备，而不会干扰冷却基础设施。正面接入安装和维护进一步简化了有效载荷工作，减少了紧密集成的整体式低温恒温器设计中固有的劳动力开销。

X-Type的基础配置作为一个有效载荷模块和两个冷却模块交付，规格如下：20 mK下20 µW冷却功率；12 mK基础温度；高达768线有效载荷。

除了模块化之外，X-Type是同类首个无需氦-3即可运行的量子冷却架构。随着量子处理规模的扩大，氦-3的供应限制和地缘政治采购压力使原本复杂的挑战雪上加霜。kiutra没有选择减轻依赖，而是通过建立在连续绝热去磁制冷（cADR）基础上来彻底消除依赖，这是一种磁性冷却工艺，已发展成为一种连续的、可应用于毫开尔文冷却的方法。

首席执行官Alexander Regnat博士断言：“当业界致力于减轻对氦-3的依赖时，我们在几年前做出了不同的选择：彻底消除它。X-Type就是这一决定的成果，它是首个从头开始构建、无需泵、管道和妥协即可与量子计算共同扩展的冷却架构。”X-Type在最近的APS全球物理峰会上推出，首批部署计划于2027年进行。

绝热去磁制冷

设计的核心在于低温恒温器中使用了根本不同的技术。为了达到亚开尔文温度，kiutra设备使用顺磁固体在称为绝热去磁制冷（ADR）的过程中进行冷却。虽然这是一项成熟的技术，但kiutra工程师将其应用于连续配置中，从而可以提供氦-3基冷却的替代方案。该公司指出，磁冷却具有多个优势，并解释了其磁冷却的工作原理：

“典型的ADR配置包括一个预冷单元（通常是闭循环制冷机）、一个热开关、一个包围固态冷却介质的超导磁体以及一个样品平台。

在ADR过程开始时，连接ADR与预冷单元的热开关关闭，冷却介质和连接的样品台都被冷却到制冷机约4K的基础温度。

在热开关仍然关闭的情况下，通过将电流驱动到超导线圈中来磁化冷却介质。磁化热被释放并消散在制冷机提供的主热浴中。

因此，在达到最大磁场后，冷却介质将恢复到其基础温度。系统的熵现在基本上由冷却介质的自旋子系统的磁贡献决定。

然后打开热开关，断开预冷单元和冷却介质之间的热连接。通过绝热降低磁场，冷却介质的温度下降，从而冷却连接的样品台。

通常，介质不会完全去磁。相反，调整磁场以稳定目标温度，剩余的磁场用于补偿来自辐射、支撑结构和布线的热泄漏，以及实验装置产生的热量。因此，通过进一步降低磁场，可以在有限的时间（保持时间，通常为几个小时）内以高精度稳定样品温度。

一旦磁场降至零，就可以重复ADR过程。再生（即重新磁化和弛豫冷却介质）的时间通常为1-2小时，从而产生70%至95%的典型占空比。”

资讯来源

• Magnetics Magazine (2026-09-22)
• 原文： kiutra开发模块化磁制冷冷却器，助力量子系统规模化扩展
• https://magneticsmag.com/kiutra-develops-modular-mag-refrigeration-coolers-for-scaling-up-quantum-systems/