Trong đo lường cryogenic cho mạch siêu dẫn, bài toán khó nhất không nằm ở chỗ tạo ra xung vi sóng đẹp, mà ở chỗ đưa được xung đó xuống tầng lạnh nhất của tủ pha loãng mà không mang theo nhiễu nhiệt của phòng thí nghiệm. Một sợi cáp đồng trục nối từ giá máy ở nhiệt độ phòng xuống tấm mixing chamber vừa là đường tín hiệu, vừa là ống dẫn nhiệt, vừa là ống dẫn bức xạ vật đen. Ba vai trò đó xung đột nhau, và toàn bộ nghề thiết kế hệ dây cryogenic là đi tìm điểm cân bằng giữa chúng.
Bài viết này đi vào lớp vật lý phía dưới: vì sao phải chèn suy hao, chèn bao nhiêu, chèn ở tầng nào, và cái giá nhiệt phải trả cho mỗi quyết định. Phần điều khiển và đếm kênh ở phía trên đã được bàn riêng trong bài mở rộng điều khiển qubit: đồng bộ pha và bài toán đếm kênh.
Ngân sách nhiệt: công suất làm lạnh giảm sáu bậc độ lớn
Điểm xuất phát của mọi tính toán là bảng công suất làm lạnh khả dụng ở từng tầng. Krinner và cộng sự (ETH Zürich, EPJ Quantum Technology 6:2, 2019) công bố số liệu đo trên một tủ pha loãng Bluefors XLD400 như sau: tầng 50K ở 35 K có 30 W (đo tại 45 K); tầng 4K ở 2,85 K có 1,5 W (tại 4,2 K); tầng Still ở 882 mK có 40 mW (tại 1,2 K); tầng cold plate ở 82 mK có 200 µW (tại 140 mK); và tầng mixing chamber ở 6 mK chỉ có 19 µW (tại 20 mK).
Từ 30 W xuống 19 µW là hệ số khoảng 1,6 triệu lần. Đây là con số cần thuộc lòng: một watt tản ra nhầm chỗ ở tầng đáy tương đương hơn năm mươi nghìn lần toàn bộ ngân sách của tầng đó. Cũng vì thế mà chiều dài cáp giữa các tầng được cố định theo hình học tủ — 200 mm, 290 mm, 250 mm, 170 mm và 140 mm cho năm chặng kể trên — và người thiết kế chỉ còn hai biến để chỉnh: vật liệu cáp và cách phân bổ suy hao.
Vì sao phép đo lường cryogenic bắt buộc phải có suy hao
Cáp đồng trục nối lên nhiệt độ phòng mang theo nhiễu Johnson–Nyquist của điện trở ở 300 K. Muốn số photon nhiệt tới mẫu nằm ở mức vài phần nghìn — tức là thấp hơn hẳn mức một photon — nhóm ETH chỉ ra rằng cần tổng suy hao khoảng 60 dB trên đường drive.
Cơ chế hoạt động của một bộ suy hao lạnh dễ hình dung nếu coi nó như một bộ chia chùm. Với A = 20 dB = 100 lần, bộ suy hao cho đi qua 1% tín hiệu tới và thêm vào 99% bức xạ vật đen ở chính nhiệt độ mà nó được neo nhiệt. Nói cách khác, bộ suy hao không chỉ làm yếu tín hiệu — nó thay nền nhiễu cũ bằng nền nhiễu mới lạnh hơn. Đó là lý do một bộ suy hao 60 dB đặt ở nhiệt độ phòng hoàn toàn vô dụng, còn ba bộ 20 dB neo ở ba tầng lạnh thì hiệu quả.
Hệ quả trực tiếp: 99% công suất tín hiệu bị tiêu tán ngay tại bộ suy hao, thành nhiệt, đúng ở tầng ta vừa đặt nó. Đây là chỗ ngân sách nhiệt và ngân sách nhiễu kéo nhau về hai phía ngược chiều.
Phân bổ suy hao: bốn cấu hình và cái giá của từng phương án
Nhóm ETH khảo sát bốn cách chia cùng một tổng suy hao trên năm tầng (50K, 4K, Still, CP, MXC):
- C1 = {0, 10, 0, 20, 30} dB
- C2 = {0, 20, 0, 10, 30} dB
- C3 = {0, 20, 0, 20, 20} dB
- C4 = {0, 20, 10, 10, 20} dB
So sánh C3 với C2 cho thấy rõ bản chất đánh đổi: dời 10 dB từ tầng MXC lên cold plate làm số photon nhiệt tại MXC chỉ tăng 20%, lên mức 0,0024 — vẫn thừa tốt — trong khi tải nhiệt tương đối trên tầng MXC giảm mười lần, xuống dưới 1% ngân sách tầng đó. Đi thêm một bước, C4 dời tiếp 10 dB từ cold plate lên Still để giảm tải cho cold plate thêm mười lần nữa, tận dụng chỗ Still có 40 mW so với 200 µW của cold plate.
Nguyên tắc rút ra rất gọn: đặt suy hao ở tầng lạnh nhất mà ngân sách nhiệt còn chịu được, không đặt ở tầng lạnh nhất có thể. Tăng suy hao ở tầng 4K quá mốc khoảng 20 dB gần như không cải thiện thêm số photon nhiệt, vì lúc đó nền nhiễu đã bị các tầng bên dưới quyết định.
Với đường flux — đường đặt thiên áp từ thông cho SQUID — yêu cầu khác hẳn: nhiễu dòng gây mất pha qubit chứ không phải photon vi sóng, nên lượng suy hao dùng ở đây chỉ khoảng 10–20 dB, kèm lọc băng thông hẹp lại.
Suy hao cáp vi sóng và lựa chọn vật liệu
Tải nhiệt thụ động của cáp phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt và tiết diện của lõi, điện môi và vỏ. Nhóm ETH đo và so sánh các loại UT85-SS-SS (thép không gỉ cả lõi lẫn vỏ), UT85-NbTi, UT85-SPCW, cùng các cặp xoắn AWG35 Cu-NbTi và AWG36 PhBr-NbTi cho đường DC.
Vài kết luận dùng được ngay khi lập cấu hình:
- Cáp Cupronickel có tải thụ động cao hơn cáp thép không gỉ khoảng 20–30%.
- Cáp UT85-SS (lõi SPCW, vỏ thép) có tải lớn hơn, đặc biệt ở tầng 4K, do độ dẫn nhiệt của đồng tăng bất thường trong khoảng 4–50 K. Bù lại nó có suy hao cáp vi sóng thấp nên hợp với đường output, nơi ta cần giữ tín hiệu chứ không muốn làm yếu nó.
- Với điện môi Teflon, đóng góp nhiệt của lớp điện môi cùng bậc độ lớn với lõi trong.
Đây chính là điểm phân đôi thiết kế: đường drive cần suy hao nên chọn vật liệu tải nhiệt thấp và chấp nhận suy hao cao; đường output cần suy hao thấp nên phải chấp nhận tải nhiệt cao hơn, và bù lại bằng cách lắp isolator cùng khuếch đại lạnh thay vì bộ suy hao.
Đo kiểm chứng: nhiệt kế là dụng cụ đo quan trọng nhất
Mô hình chỉ có giá trị khi đối chiếu được với số đo thật. Nhóm ETH đưa vào từng cây cáp khoảng 25 đường đồng trục rồi đo mức tăng tải trên từng tầng. Hai phép đo tham chiếu đáng chú ý: bơm 40 mW vào tầng Still cho công suất làm lạnh 19 µW ở 20 mK (và 540 µW ở 100 mK); còn cold plate, vốn không có phần tử làm lạnh chủ động riêng, tăng nhiệt độ từ khoảng 80 mK lên khoảng 160 mK khi tải quét tới 300 µW. Với cấu hình đã tối ưu, hệ của họ đủ ngân sách vận hành ít nhất 150 qubit.
Bài học vận hành: trước khi đổ lỗi cho chất lượng qubit, hãy kiểm tra xem nhiệt độ tầng có giữ nguyên khi bật hết các đường điều khiển hay không. Một tầng ấm lên vài chục mK khi tăng số kênh là dấu hiệu rõ ràng của bài toán ngân sách nhiệt, không phải bài toán vật liệu qubit.
Phần thiết bị ở nhiệt độ phòng: chọn máy Keysight nào
Cần nói rõ để tránh hiểu nhầm khi lập dự toán: tủ pha loãng, cáp cryogenic, bộ suy hao lạnh, isolator và khuếch đại HEMT không nằm trong danh mục phân phối của Techmaster. Phần Techmaster cung cấp là lớp thiết bị ở nhiệt độ phòng, tức là nguồn phát và máy thu nằm ngoài tủ — và chính ngân sách suy hao ở trên quyết định phần này phải mạnh tới đâu.
Logic rất trực tiếp: nếu đường drive có 60 dB suy hao, máy phát phải cấp thêm đúng 60 dB so với mức công suất mà qubit cần nhận, đồng thời nền nhiễu pha của chính máy phát cũng bị suy hao theo nên không bị khuếch đại lên — nhưng các thành phần giả sinh ra sau bộ suy hao cuối thì không được lọc nữa.
- Keysight M9384B — máy phát tín hiệu vector VXG (PXIe): dải tới 44 GHz, băng thông điều chế tới 2 GHz, cấu hình 1–2 kênh trên nền PXIe. Phù hợp làm nguồn drive và readout khi cần độ sạch phổ cao và số kênh tăng dần theo hệ.
- Máy phát sóng tùy ý Keysight M8195A: tới 65 GSa/s, tới 4 kênh trên nền AXIe. Dùng khi cần dựng trực tiếp dạng xung tùy ý và điều khiển pha giữa nhiều kênh.
- Máy phân tích tín hiệu UXA Keysight N9042B: 2 Hz – 50 GHz, băng phân tích tới 4 GHz. Dùng ở phía đọc tín hiệu và để kiểm tra phổ thực tế của chuỗi phát trước khi đấu vào tủ.
Kết luận
Thiết kế hệ dây cryogenic là bài toán ba ràng buộc: số photon nhiệt tới mẫu, tải nhiệt chủ động do chính suy hao sinh ra, và công suất làm lạnh hữu hạn của từng tầng. Tổng khoảng 60 dB trên đường drive là mốc tham chiếu tốt, nhưng vị trí đặt mới là chỗ phân biệt hệ chạy được với hệ ấm lên khi mở rộng. Hãy tính ngân sách nhiệt trước khi mua thêm kênh, và luôn kiểm chứng bằng nhiệt kế tầng chứ không chỉ bằng bảng tính.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho thiết bị đo điện – điện tử. Để được tư vấn cấu hình nguồn phát và máy thu ở nhiệt độ phòng cho hệ đo lượng tử, hoặc đặt lịch hiệu chuẩn thiết bị, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
