Das SQMS Center von Fermilab befasst sich mit allen Aspekten des „Quantenrätsels“ – der Welt der Physik

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-4.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-4.jpg" data-caption="Offen fürs Geschäft SQMS-Direktorin Anna Grassellino spricht bei der Eröffnungszeremonie für die Quantum Garage von Fermilab im November 2023 zu den Delegierten. Das 560 Quadratmeter große Labor bietet spezielle Einrichtungen zur Unterstützung von SQMS-Programmen im Bereich Quantencomputing und Quantensensorik. (Mit freundlicher Genehmigung: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)“>

Anna Grassellino ist eine Physikerin in Eile. Als Leiterin eines 125 Millionen US-Dollar teuren Quantenwissenschaftsprogramms besteht ihre Aufgabe darin, einen Forschungs- und Entwicklungsplan umzusetzen, der der US-amerikanischen Technologieindustrie durch die Entwicklung supraleitender Materialien und Geräte für Quantencomputer der nächsten Generation Milliarden von Dollar wert sein könnte.

Als Spezialist für HF-Supraleitung ist Grassellino Direktor des Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center am Fermi National Accelerator Laboratory, der bedeutendsten US-Einrichtung für Teilchenphysik am Stadtrand von Chicago, Illinois. SQMS wird im Rahmen seines ersten Fünfjahresprogramms (25–2020) mit 25 Millionen US-Dollar pro Jahr gefördert und ist eines von fünf speziellen Forschungszentren mit Schwerpunkt auf Quanteninformationswissenschaft innerhalb des National Laboratory Systems des US-Energieministeriums (DOE) (siehe „The DOE Office of Science: Großes Gewicht auf Quanten“, unten).

Das Endspiel von DOE und SQMS: Entwicklung und Einsatz praktischer Quantencomputer und Quantensensoren mit dem Potenzial für eine groß angelegte wissenschaftliche, industrielle und kommerzielle Einführung.

Priorisierung der Zusammenarbeit

Um dieses Ziel zu erreichen, bringt SQMS eine multidisziplinäre Zusammenarbeit von mehr als 500 Wissenschaftlern und Ingenieuren aus 30 Partnerinstitutionen – nationale Labore, Universitäten und Unternehmen in den USA und darüber hinaus – zusammen, um laut Grassellino „alle Teile des Quantenpuzzles“ anzugehen. Denken Sie an angewandte und theoretische Supraleitung, Computerwissenschaft, Hochenergie- und Festkörperphysik, Kryotechnik, Mikrowellengeräte und Steuerungstechnik – wobei all diese gemeinsamen Anstrengungen direkt auf die Übersetzung und Anwendung der Quantenwissenschaft und -technologie ausgerichtet sind.

Mit diesen hochkohärenten Qubits werden letztendlich komplexere Quantencomputeroperationen möglich

Anna Grasellino

Eines der grundlegenden Probleme, die SQMS-Forscher beschäftigen, ist die Quantenkohärenz – oder wie man die Lebensdauer fragiler Quantenzustände so lange wie möglich aufrechterhält (Sekunden statt Millisekunden oder Mikrosekunden). „Durch die Verwendung von auf kryogene Temperaturen gekühlten Supraleitern“, sagt Grassellino, „schaffen wir Umgebungen, in denen Mikrowellenphotonen eine lange Lebensdauer und Schutz vor äußeren Störungen haben können.“ Diese Bedingungen ermöglichen es, Quantenzustände zu erzeugen, zu manipulieren und auszulesen. Mit diesen hochkohärenten supraleitenden Qubits werden letztendlich komplexere Quantencomputeroperationen möglich.“

Während Grassellino immer noch eng mit Wissenschaftlern und Ingenieuren an vorderster Front zusammenarbeitet und die Arbeit im Labor überwacht, ist ihr Zeitplan zunehmend in andere Richtungen aufgeteilt – beispielsweise die Zusammenarbeit mit Förderagenturen und Forschungspartnern, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass SQMS-F&E-Projekte im Vergleich zu den Meilensteinen des DOE auf dem richtigen Weg bleiben und Liefergegenstände. „Was mir wirklich Spaß macht, ist, dass es keinen typischen Tag als SQMS-Direktorin gibt“, sagt sie. "Jeder Tag ist anders."

Ausbau der Anlagen

Während der ersten drei Jahre von SQMS war die operative Priorität für Grassellino und ihr Managementteam klar: die Quanten-F&E-Infrastruktur innerhalb von Fermilab auszubauen. Ein Beispiel dafür ist die sogenannte „Quantum Garage“, ein rund 560 Quadratmeter großes SQMS-Labor, das Anfang November 2023 offiziell eröffnet wurde. Auf einer Ebene ist die Quantum Garage eine Übung zum Kapazitätsaufbau: Eine Flotte von sechs zusätzlichen Verdünnungskühlschränken (vorher waren es nur zwei) ist jetzt online und bietet kryogene Kühlung zur Unterstützung von SQMS-Versuchsprogrammen sowie zum Testen, Messen und Charakterisieren supraleitender Geräte und Subsysteme.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg" data-caption="Unter einem Dach SQMS-Wissenschaftler haben in der Quantengarage eine Reihe von Forschungs- und Entwicklungsprüfständen eingerichtet, um Studien zu supraleitenden Qubits, Quantencomputerprozessoren und Quantensensoren für das grundlegende Physikprogramm von Fermilab zu unterstützen. (Mit freundlicher Genehmigung von Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg“>

Bei der Quantengarage geht es jedoch um viel mehr als nur experimentelle Kapazität und Forschungsdurchsatz. „Die neue Anlage hat es uns ermöglicht, eine Reihe einzigartiger Quanten-Forschungs- und Entwicklungsprüfstände auf den Markt zu bringen“, bemerkt Grassellino. „Zu diesen Prüfstandsaktivitäten gehören detaillierte Studien zu supraleitenden Qubits und Quantencomputerprozessoren sowie die Entwicklung hochkohärenter Quantensensoren zur Unterstützung des grundlegenden Physikprogramms von Fermilab – zum Beispiel die Suche nach Teilchen jenseits des Standardmodells sowie nach Kandidaten für Dunkle Materie.“ und Gravitationswellen.“

Entlang einer anderen Koordinate stellt die Quantum Garage die Infrastruktur und das Personal für sogenannte „Round Robins“ bereit – im Wesentlichen den Austausch von Quantenmaterialien, Geräten und Subsystemen zwischen F&E-Partnern im SQMS-Netzwerk, um die Einführung standardisierter Test- und Messprotokolle und Qualität sicherzustellen -Versicherungsketten. „Unsere Kollegen in Normungslabors wie dem US-amerikanischen National Institute for Standards and Technology (NIST) und dem National Physical Laboratory (NPL) im Vereinigten Königreich sind entscheidend für den Erfolg dieses Arbeitspakets“, bemerkt Grassellino.

Eine verwandte Initiative – die National Nanofabrication Taskforce – zielt darauf ab, die SQMS-Bemühungen bei der Verarbeitung von Nanomaterialien zu verbessern und zu standardisieren. Innerhalb der Taskforce arbeiten vier SQMS-Partner – Fermilab, NIST, Northwestern University und Rigetti Computing – gemeinsam an einem kontinuierlichen Verbesserungsprogramm für die Fertigung auf Geräteebene.

„Das ist eine wirklich produktive, Hand-in-Hand-Zusammenarbeit“, bemerkt Grassellino. „Wir haben SQMS-Forscher und -Ingenieure, die gegenseitig die Reinraumanlagen besuchen und dabei Materialrezepte und Fachwissen austauschen.“

Darüber hinaus konnte die Taskforce bereits Erfolge verzeichnen, indem sie an drei Standorten – Fermilab, Rigetti und NIST – die Kohärenzzeiten supraleitender Qubits reproduzierbar erhöhte (mehr als den Faktor zwei). Der Schlüssel dazu ist eine von SQMS entwickelte Oberflächenverkapselungstechnik, die die Bildung von Oberflächendielektrika verhindert (die sich äußerst nachteilig auf die Qubit-Leistung auswirken).

Quantenpädagogik und -training

Die Quantum Garage ist auch das Herzstück der SQMS-Bemühungen, die Quantenfachkräfte zu vergrößern. Im August 2023 verbrachten beispielsweise fast 150 Delegierte aus 70 Organisationen zehn Tage im Fermilab und besuchten die erste US-amerikanische Quantum Information Science (USQIS) School. Das Ziel der jährlich stattfindenden Schule besteht darin, die nächste Generation von Quantenwissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern durch den Austausch theoretischer Kenntnisse und experimenteller Fähigkeiten durch eine Mischung aus Vorlesungen, Laborstunden, Podiumsdiskussionen und Postersitzungen zu fördern.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg" data-caption="Zurück in die Schule Im August 2023 waren in der Quantum Garage fast 150 Delegierte zu Gast, die an der ersten US-amerikanischen Quantum Information Science (USQIS) School teilnahmen. (Mit freundlicher Genehmigung von Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg“>

Die Teilnehmer der Eröffnungsschule kamen mit einem breiten Spektrum an Erfahrungen und Hintergründen, darunter Studenten und Doktoranden, Pädagogen sowie wissenschaftliches und technisches Personal aus Bundeslaboren und der Industrie. Während die Schule von SQMS organisiert und ausgerichtet wurde, waren die Vorlesungen und Schulungen weitgehend eine Gemeinschaftsleistung, an der fast 50 erfahrene Dozenten aus allen fünf Quantenforschungszentren des DOE Office of Science beteiligt waren. (In diesem Sinne geht der Staffelstab für die Schule 2024 nun an das Quantum Science Center im Oak Ridge National Laboratory in Tennessee über.)

Die Testbed-Innovationen von QUANT-NET: Das Quantennetzwerk neu denken

„Mit der USQIS-Schule bieten wir ein Quantenpädagogikprogramm an, das den Teilnehmern eine interaktive, praxisnahe Lernerfahrung bietet – ein Vergleich, wie er für viele, die sich für den schnell wachsenden Bereich interessieren, derzeit unerreichbar ist“, bemerkt Grassellino. Insbesondere stellt die Schule den Teilnehmern hochentwickelte Basistechnologien zur Verfügung – darunter Qubit-Kontrollsysteme, Verdünnungskühlschränke mit hoher Kapazität und Reinräume für die Nanofabrikation –, die in einem typischen Universitätsumfeld nicht routinemäßig zu finden sind. „Es ist diese Mischung aus fundiertem Fachwissen und modernster Infrastruktur, die die National Laboratories zum idealen Kanal für diese Art der Fachausbildung und -entwicklung macht“, fügt Grassellino hinzu.

Angesichts der ermutigenden Fortschritte an mehreren SQMS-Fronten richtet Grassellino ihre Aufmerksamkeit bereits auf den nächsten fünfjährigen Finanzierungszyklus für die Quanteninformationswissenschaftsinitiative des DOE. Die vom DOE vorgeschlagene Verlängerung – die derzeit im Kongress geprüft wird – würde möglicherweise zu einer Aufstockung der SQMS-Finanzierung für den Zyklus 2025–30 führen.

„SQMS ist bereits ein Erfolg“, schlussfolgert Grassellino. „Vor drei Jahren hatten wir eine leere Anlage; Jetzt haben wir eine komplett ausgestattete Quantum Garage. Gleichzeitig haben wir eine internationale Zusammenarbeit führender Experten aufgebaut, mehr als 500 Studenten und Postdoktoranden in vielen Bereichen der Quantenwissenschaft und -technik ausgebildet und gleichzeitig unseren Laserfokus auf die Kernaufgabe gerichtet: die Erhöhung der Kohärenz supraleitender Qubits in a systematisch.“ 

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/