مرکز SQMS Fermilab به تمام جنبه‌های «پازل کوانتومی» می‌پردازد - دنیای فیزیک

<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="برای تجارت باز است مدیر SQMS آنا گراسلینو در مراسم برش روبان گاراژ کوانتومی Fermilab در نوامبر 2023 به نمایندگان خطاب می کند. آزمایشگاه 560 متر مربعی امکانات اختصاصی را برای پشتیبانی از برنامه های SQMS در محاسبات کوانتومی و سنجش کوانتومی فراهم می کند. (با احترام: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

آنا گراسلینو فیزیکدانی است که عجله دارد. به عنوان رهبر یک برنامه علمی کوانتومی 125 میلیون دلاری، وظیفه او اجرای نقشه راه تحقیق و توسعه است که می تواند میلیاردها دلار برای صنعت فناوری ایالات متحده از طریق توسعه مواد و دستگاه های ابررسانا برای رایانه های کوانتومی نسل بعدی ارزش داشته باشد.

گراسلینو که متخصص در ابررسانایی RF است، مدیر مرکز مواد و سیستم‌های کوانتومی ابررسانا (SQMS) در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی، مرکز برجسته فیزیک ذرات ایالات متحده در حومه شیکاگو، ایلینوی است. SQMS با بودجه 25 میلیون دلاری سالانه از طریق برنامه پنج ساله اولیه خود (2020-25) یکی از پنج مرکز تحقیقاتی اختصاصی است که بر علم اطلاعات کوانتومی در سیستم آزمایشگاه ملی وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) متمرکز شده است. دفتر علوم DOE: شرط بندی بزرگ روی کوانتوم، در زیر).

بازی پایانی DOE و SQMS: برای توسعه و استقرار رایانه‌های کوانتومی عملی و حسگرهای کوانتومی با پتانسیل برای پذیرش علمی، صنعتی و تجاری در مقیاس.

اولویت دادن به همکاری

به گفته گراسلینو، برای رسیدن به این هدف، SQMS یک همکاری چند رشته‌ای از بیش از 500 دانشمند و مهندس از 30 موسسه شریک - آزمایشگاه‌های ملی، دانشگاه‌ها و کسب‌وکارها در ایالات متحده و فراتر از آن - را گرد هم می‌آورد تا به "همه قطعات پازل کوانتومی" رسیدگی کند. به ابررسانایی کاربردی و نظری، علوم محاسباتی، فیزیک با انرژی بالا و ماده متراکم، برودتی، دستگاه‌های مایکروویو و مهندسی کنترل فکر کنید - با تمام این تلاش‌های جمعی که مستقیماً در جهت ترجمه و کاربرد علم و فناوری کوانتومی همسو هستند.

با این کیوبیت های بسیار منسجم، در نهایت عملیات پیچیده تر محاسبات کوانتومی امکان پذیر خواهد شد.

آنا گراسلینو

یکی از مشکلات اساسی که محققان SQMS را به خود مشغول می کند، انسجام کوانتومی است - یا اینکه چگونه می توان طول عمر حالت های کوانتومی شکننده را تا زمانی که ممکن است (ثانیه به جای میلی ثانیه یا میکروثانیه) حفظ کرد. گراسلینو می‌گوید: «با استفاده از ابررساناهایی که تا دمای برودتی سرد شده‌اند، ما محیط‌هایی ایجاد می‌کنیم که فوتون‌های مایکروویو می‌توانند طول عمر طولانی داشته باشند و از آشفتگی‌های خارجی محافظت کنند. این شرایط امکان تولید حالت های کوانتومی، دستکاری آنها و خواندن آنها را فراهم می کند. با این کیوبیت های فوق رسانا بسیار منسجم، عملیات محاسباتی کوانتومی پیچیده تری در نهایت امکان پذیر خواهد شد.

در حالی که گراسلینو همچنان با دانشمندان و مهندسان خط مقدم کار می کند - با نظارت بر کار در آزمایشگاه - برنامه او به طور فزاینده ای در جهت های دیگر تخصیص داده می شود - به عنوان مثال با آژانس های تامین مالی و شرکای تحقیقاتی درگیر می شود، در حالی که اطمینان حاصل می کند که پروژه های R&D SQMS در مسیر در برابر نقاط عطف DOE باقی می مانند. و قابل تحویل او می گوید: «چیزی که من واقعاً از آن لذت می برم این است که هیچ روز معمولی به عنوان مدیر SQMS وجود ندارد. "هر روز متفاوت است."

افزایش امکانات

در طول سه سال اول SQMS، اولویت عملیاتی گراسلینو و تیم مدیریتش مشخص بود: افزایش زیرساخت تحقیق و توسعه کوانتومی در Fermilab. به اصطلاح "گاراژ کوانتومی" - یک آزمایشگاه SQMS با مساحت تقریباً 560 متر مربع که به طور رسمی در ابتدای نوامبر 2023 راه اندازی شد - نمونه ای از این موارد است. در یک سطح، گاراژ کوانتومی تمرینی برای ظرفیت‌سازی است، با ناوگانی متشکل از شش یخچال رقیق‌کننده اضافی (قبلاً فقط دو یخچال وجود داشت) که اکنون آنلاین هستند و خنک‌کننده برودتی را برای پشتیبانی از برنامه‌های آزمایشی SQMS و آزمایش، اندازه‌گیری و شناسایی دستگاه‌های ابررسانا ارائه می‌کنند. و زیر سیستم ها

<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="زیر یک سقف SQMS scientists have established a series of R&D testbeds in the Quantum Garage to support studies of superconducting qubits, quantum computing processors and quantum sensors for Fermilab’s fundamental physics programme. (Courtesy: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg”>

با این حال، گاراژ کوانتومی بسیار بیشتر از ظرفیت آزمایشی و توان تحقیقاتی است. گراسلینو می‌گوید: «تاسیسات جدید ما را قادر به راه‌اندازی مجموعه‌ای از بسترهای آزمایش تحقیق و توسعه کوانتومی منحصربه‌فرد کرده است». این فعالیت‌های بستر آزمایشی شامل مطالعات دانه‌ای در مورد کیوبیت‌های ابررسانا و پردازنده‌های محاسباتی کوانتومی و همچنین توسعه حسگرهای کوانتومی با انسجام بالا برای پشتیبانی از برنامه فیزیک بنیادی Fermilab - برای مثال، جستجوی ذرات فراتر از مدل استاندارد، و همچنین نامزدهای ماده تاریک است. و امواج گرانشی."

در کنار مختصات دیگری، گاراژ کوانتومی زیرساخت‌ها و پرسنل را برای به اصطلاح «گردش‌گرد» فراهم می‌کند - اساساً تبادل مواد کوانتومی، دستگاه‌ها و زیرسیستم‌های بین شرکای تحقیق و توسعه در شبکه SQMS برای اطمینان از پذیرش پروتکل‌های تست و اندازه‌گیری استاندارد و کیفیت. -زنجیره های اطمینان گراسلینو می‌گوید: «همکاران ما در آزمایشگاه‌های استاندارد مانند مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) و آزمایشگاه ملی فیزیکی (NPL) در بریتانیا برای موفقیت این بسته کاری بسیار مهم هستند.

یک ابتکار مرتبط - کارگروه ملی نانوساخت - با هدف افزایش و استانداردسازی تلاش SQMS در پردازش نانومواد است. در این گروه، چهار شریک SQMS - Fermilab، NIST، دانشگاه Northwestern و Rigetti Computing - در حال کار با هم بر روی یک برنامه بهبود مستمر برای ساخت در سطح دستگاه هستند.

گراسلینو خاطرنشان می کند: "این یک همکاری واقعا سازنده و دست در دست است." ما محققان و مهندسان SQMS را داریم که از امکانات اتاق تمیز یکدیگر بازدید می کنند، «دستورالعمل ها» مواد و دانش تخصصی را در طول مسیر تبادل می کنند.»

علاوه بر این، گروه ضربت قبلاً با افزایش تکرارپذیر زمان انسجام کیوبیت‌های ابررسانا (بیش از ضریب دو) در سه سایت - Fermilab، Rigetti و NIST، موفقیت را به ثبت رسانده است. نکته کلیدی در اینجا یک تکنیک کپسوله سازی سطحی پیشگام SQMS است که از تشکیل دی الکتریک های سطحی (که برای عملکرد کیوبیت بسیار مضر هستند) جلوگیری می کند.

آموزش و پرورش کوانتومی

گاراژ کوانتومی همچنین مرکز تلاش های SQMS برای افزایش نیروی کار متخصص کوانتومی است. برای مثال، در آگوست 2023، نزدیک به 150 نماینده از 70 سازمان، 10 روز را در Fermilab گذراندند و در اولین مدرسه علوم اطلاعات کوانتومی ایالات متحده (USQIS) شرکت کردند. هدف این مدرسه که هر ساله برگزار می‌شود، توسعه نسل بعدی دانشمندان، مهندسان و تکنسین‌های کوانتومی با به اشتراک گذاشتن دانش نظری و مهارت‌های تجربی از طریق ترکیبی از سخنرانی‌ها، زمان آزمایشگاه، بحث‌های پانل و جلسات پوستر است.

<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="بازگشت به مدرسه In August 2023, the Quantum Garage hosted nearly 150 delegates attending the first US Quantum Information Science (USQIS) School. (Courtesy: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg”>

شرکت کنندگان در مدرسه افتتاحیه با طیف گسترده ای از تجربیات و سوابق، از جمله دانشجویان کارشناسی و کارشناسی ارشد، مربیان، و همچنین کارکنان علمی و فنی از آزمایشگاه ها و صنعت فدرال آمدند. در حالی که مدرسه توسط SQMS سازماندهی و میزبانی می‌شد، سخنرانی‌ها و آموزش‌ها یک تلاش جمعی بود که شامل نزدیک به 50 مربی متخصص از هر پنج مرکز تحقیقات کوانتومی دفتر علوم DOE بود. (با همین روحیه، باتوم مدرسه 2024 اکنون به مرکز علوم کوانتومی در آزمایشگاه ملی اوک ریج در تنسی می رسد.)

نوآوری های بستر آزمایش QUANT-NET: تصور مجدد شبکه کوانتومی

گراسلینو خاطرنشان می‌کند: «با مدرسه USQIS، ما یک برنامه آموزشی کوانتومی ارائه می‌کنیم که به شرکت‌کنندگان یک تجربه یادگیری عملی و تعاملی می‌دهد – تجربه‌ای که در حال حاضر برای بسیاری از علاقه‌مندان به این حوزه به سرعت در حال گسترش دور از دسترس است.» به طور خاص، مدرسه شرکت‌کنندگان را در معرض فن‌آوری‌های پیچیده‌ای قرار می‌دهد - از جمله سیستم‌های کنترل کیوبیت، یخچال‌های رقیق‌کننده با ظرفیت بالا و اتاق‌های تمیز نانوساخت - که هیچ‌کدام به طور معمول در یک محیط دانشگاهی معمولی یافت نمی‌شوند. گراسلینو می‌افزاید: «این ترکیبی از تخصص عمیق و زیرساخت‌های پیشرفته است که آزمایشگاه‌های ملی را به کانال ایده‌آلی برای این نوع آموزش و توسعه تخصصی تبدیل می‌کند.

با پیشرفت مشوق مشهود در امتداد چندین جبهه SQMS، گراسلینو در حال حاضر توجه خود را به چرخه بودجه پنج ساله بعدی برای ابتکار علم اطلاعات کوانتومی DOE معطوف کرده است. تمدید پیشنهادی DOE - که در حال حاضر در کنگره در دست بررسی است - باعث افزایش بالقوه بودجه SQMS برای چرخه 2025-30 خواهد شد.

گراسلینو نتیجه گیری می کند: «SQMS در حال حاضر یک موفقیت است. سه سال پیش، ما یک مرکز خالی داشتیم. اکنون ما یک گاراژ کوانتومی کاملا مجهز داریم. در همان زمان، ما یک همکاری بین المللی از کارشناسان برجسته ایجاد کرده ایم، بیش از 500 دانشجو و فوق دکترا را در بسیاری از زمینه های علوم و مهندسی کوانتوم آموزش داده ایم، در حالی که تمرکز لیزری خود را بر ماموریت اصلی حفظ کرده ایم: افزایش انسجام کیوبیت های ابررسانا در یک روشی سیستماتیک.» 

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/