Fermilabin SQMS-keskus käsittelee kaikkia "kvanttipalapelin" eli fysiikan maailman näkökohtia

<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="Avoin yrityksille SQMS:n johtaja Anna Grasselino puhuu edustajille Fermilabin Quantum Garagen nauhanleikkausseremoniassa marraskuussa 2023. 560 neliömetrin laboratoriossa on tilat, jotka tukevat SQMS-ohjelmia kvanttilaskennassa ja kvanttitunnistuksessa. (Kohtelias: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellinolla on kiire fyysikko. 125 miljoonan dollarin kvanttitiedeohjelman johtajana hänen tehtävänsä on toteuttaa tutkimus- ja kehityssuunnitelma, jonka arvo voi olla miljardeja dollareita Yhdysvaltain teknologiateollisuudelle kehittämällä suprajohtavia materiaaleja ja laitteita seuraavan sukupolven kvanttitietokoneisiin.

RF-suprajohtavuuden asiantuntija Grassellino on Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) -keskuksen johtaja Fermi National Accelerator Laboratoryssa, joka on Yhdysvaltojen johtava hiukkasfysiikan laitos Chicagon laitamilla Illinoisissa. SQMS, joka on rahoitettu 25 miljoonalla dollarilla vuodessa alkuperäisen viisivuotisohjelmansa (2020–25) kautta, on yksi viidestä kvanttitietotieteeseen keskittyneestä tutkimuskeskuksesta Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) kansallisessa laboratoriojärjestelmässä (ks. DOE Office of Science: lyö vetoa kvantista, alla).

DOE- ja SQMS-loppupeli: kehittää ja ottaa käyttöön käytännöllisiä kvanttitietokoneita ja kvanttiantureita, joilla on potentiaalia laajamittaiseen tieteelliseen, teolliseen ja kaupalliseen käyttöön.

Yhteistyön priorisointi

Tätä tavoitetta kohti SQMS kokoaa yhteen yli 500 tiedemiehen ja insinöörin monitieteisen yhteistyön 30 kumppanilaitoksesta – kansallisista laboratorioista, yliopistoista ja yrityksistä Yhdysvalloissa ja sen ulkopuolella – Grassellinon mukaan "kaikkien kvanttipalapelin palasten käsittelemiseksi". Ajattele sovellettua ja teoreettista suprajohtavuutta, laskennallista tiedettä, korkean energian ja kondensoituneiden aineiden fysiikkaa, kryogeniikkaa, mikroaaltouunilaitteita ja ohjaustekniikkaa – kaikki tämä yhteinen ponnistus on suunnattu suoraan kvanttitieteen ja -teknologian käännökseen ja soveltamiseen.

Näiden erittäin koherenttien kubittien avulla monimutkaisemmat kvanttilaskentatoiminnot tulevat lopulta mahdollisiksi

Anna Grassellino

Yksi SQMS-tutkijoita askarruttavista perusongelmista on kvanttikoherenssi – eli kuinka hauraiden kvanttitilojen elinajat säilytetään mahdollisimman pitkään (sekunteina millisekuntien tai mikrosekuntien sijaan). "Käyttämällä kryogeenisiin lämpötiloihin jäähdytettyjä suprajohtimia", Grassellino sanoo, "luomme ympäristöt, joissa mikroaaltofotoneilla voi olla pitkä käyttöikä ja suoja ulkoisilta häiriöiltä. Nämä ehdot mahdollistavat kvanttitilojen muodostamisen, manipuloinnin ja lukemisen. Näiden erittäin koherenttien suprajohtavien kubittien avulla monimutkaisemmat kvanttilaskentatoiminnot tulevat lopulta mahdollisiksi."

Vaikka Grassellino tekee edelleen tiivistä yhteistyötä eturivin tutkijoiden ja insinöörien kanssa – valvoen työtä laboratoriossa – hänen aikataulunsa jaetaan yhä useammin muihin suuntiin – esimerkiksi rahoittajien ja tutkimuskumppaneiden kanssa, samalla kun varmistetaan, että SQMS:n T&K-projektit pysyvät oikeilla jäljillä DOE:n virstanpylväitä vastaan. ja toimitukset. "Pidän todella siitä, että ei ole tyypillistä päivää SQMS-johtajana", hän sanoo. "Jokainen päivä on erilainen."

Tilojen laajentaminen

SQMS:n kolmen ensimmäisen vuoden aikana Grassellinon ja hänen johtoryhmän toiminnan prioriteetti oli selvä: laajentaa Fermilabin kvanttitutkimus- ja kehitysinfrastruktuuria. Esimerkiksi ns. "Quantum Garage" - noin 560 neliömetrin SQMS-laboratorio, joka käynnistettiin virallisesti marraskuun 2023 alussa. Yhdellä tasolla Quantum Garage on harjoitus kapasiteetin lisäämiseksi, ja sen kuuden lisälaimennusjääkaapin kalusto (aiemmin niitä oli vain kaksi) on nyt verkossa ja tarjoaa kryogeenisen jäähdytyksen tukemaan SQMS-koeohjelmia sekä suprajohtavien laitteiden testausta, mittausta ja karakterisointia. ja osajärjestelmät.

<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="Saman katon alla SQMS-tutkijat ovat perustaneet sarjan T&K-testialustoja Quantum Garageen tukemaan suprajohtavien kubittien, kvanttilaskentaprosessorien ja kvanttianturien tutkimuksia Fermilabin perusfysiikan ohjelmaa varten. (Lupa: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Avaa kuva ponnahdusikkunassa napsauttamalla” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg”>

Quantum Garage on kuitenkin paljon muutakin kuin kokeellista kapasiteettia ja tutkimuskapasiteettia. "Uuden laitoksen ansiosta olemme voineet käynnistää sarjan ainutlaatuisia kvanttitutkimuksen ja tuotekehityksen testialustoja", Grassellino toteaa. "Näihin testialustaisiin toimintoihin kuuluvat suprajohtavien kubittien ja kvanttilaskentaprosessorien rakeiset tutkimukset sekä korkean koherenssin kvanttianturien kehittäminen tukemaan Fermilabin perustavanlaatuista fysiikan ohjelmaa – esimerkiksi standardimallin ulkopuolisten hiukkasten ja pimeän aineen ehdokkaiden etsiminen. ja gravitaatioaaltoja."

Toisen koordinaatin ohella Quantum Garage tarjoaa infrastruktuurin ja henkilöstön niin sanotuille "round robinille" – lähinnä kvanttimateriaalien, laitteiden ja osajärjestelmien vaihtoon SQMS-verkon T&K-kumppaneiden kesken standardoitujen testaus- ja mittausprotokollien käyttöönoton ja laadun varmistamiseksi. -vakuutusketjut. "Kollegamme standardointilaboratorioissa, kuten Yhdysvaltain kansallisessa standardointi- ja teknologiainstituutissa (NIST) ja National Physical Laboratoryssa (NPL) Isossa-Britanniassa, ovat ratkaisevia tämän työpaketin onnistumisen kannalta", Grassellino huomauttaa.

Aiheeseen liittyvä aloite – National Nanofabrication Taskforce – pyrkii tehostamaan ja standardoimaan SQMS-ponnisteluja nanomateriaalien käsittelyssä. Työryhmässä neljä SQMS-kumppania – Fermilab, NIST, Northwestern University ja Rigetti Computing – työskentelevät yhdessä jatkuvan parannusohjelman parissa laitetason valmistukseen.

"Tämä on todella tuottavaa, käsi kädessä yhteistyötä", Grassellino huomauttaa. "Olemme saaneet SQMS-tutkijat ja insinöörit vierailemaan toistensa puhdastiloissa ja vaihtamaan materiaalia "reseptejä" ja asiantuntijatietoa matkan varrella.

Lisäksi työryhmä on jo saavuttanut menestystä lisäämällä suprajohtavien kubittien koherenssiaikoja toistettavasti (yli kaksinkertaiseksi) kolmella toimipaikalla – Fermilabissa, Rigetissä ja NIST:ssä. Avain tässä on SQMS:n edelläkävijä pintakapselointitekniikka, joka estää pinnan eristeiden muodostumisen (jotka ovat erittäin haitallisia kubitin suorituskyvylle).

Kvanttikoulutus ja koulutus

Quantum Garage on myös keskipiste SQMS-pyrkimyksille skaalata erikoistunut kvanttityövoima. Esimerkiksi elokuussa 2023 lähes 150 delegaattia 70 organisaatiosta vietti 10 päivää Fermilabissa osallistuen ensimmäiseen USQIS-kouluun. Vuosittain järjestettävän koulun tavoitteena on kehittää seuraavan sukupolven kvanttitieteilijöitä, insinöörejä ja teknikoita jakamalla teoreettista tietoa ja kokeellisia taitoja luentojen, laboratoriotunnin, paneelikeskustelujen ja julisteistuntojen yhdistelmän avulla.

<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="Takaisin kouluun Elokuussa 2023 Quantum Garage isännöi lähes 150 delegaattia, jotka osallistuivat ensimmäiseen USQIS (Quantum Information Science) -kouluun. (Lupa: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Avaa kuva ponnahdusikkunassa napsauttamalla” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg”>

Avajaiskoulun osallistujilla oli laaja kokemus ja tausta, mukaan lukien perustutkinto- ja jatko-opiskelijat, kouluttajat sekä tiede- ja tekninen henkilökunta liittovaltion laboratorioista ja teollisuudesta. Vaikka koulun organisoi ja isännöi SQMS, luennot ja koulutus olivat suurelta osin yhteistä työtä, johon osallistui lähes 50 asiantuntijaohjaajaa kaikista viidestä DOE Office of Science -kvanttitutkimuskeskuksesta. (Samassa hengessä vuoden 2024 koulun viestikapula siirtyy nyt Tennesseen Oak Ridge National Laboratoryn Quantum Science Centeriin.)

QUANT-NETin testausalustainnovaatiot: kvanttiverkon uusiminen

"USQIS-koulun kanssa tarjoamme kvanttikoulutusohjelman, joka antaa osallistujille interaktiivisen, käytännönläheisen oppimiskokemuksen – jonka kaltaiset ovat tällä hetkellä monien nopeasti kasvavasta alasta kiinnostuneiden ulottumattomissa", Grassellino toteaa. Erityisesti koulu tarjoaa osallistujille kehittyneitä mahdollistavia teknologioita – mukaan lukien qubit-ohjausjärjestelmät, suuren kapasiteetin laimennusjääkaapit ja nanovalmistuksen puhdastilat – joista mitään ei löydy rutiininomaisesti tyypillisistä yliopistoympäristöistä. "Tämä syvän asiantuntemuksen ja huippuluokan infrastruktuurin yhdistelmä tekee National Laboratoriesista ihanteellisen kanavan tällaiselle asiantuntijakoulutukselle ja kehitykselle", Grassellino lisää.

Kun rohkaisevaa edistystä on havaittavissa useilla SQMS-rintamilla, Grassellino on jo kiinnittänyt huomionsa DOE:n kvanttitietotieteen aloitteen seuraavaan viiden vuoden rahoitusjaksoon. DOE:n ehdotettu uudistus – jota parhaillaan tarkastellaan kongressissa – lisäisi SQMS-rahoitusta kaudella 2025–30.

"SQMS on jo menestys", Grassellino päättää. ”Kolme vuotta sitten meillä oli tyhjä laitos; nyt meillä on täysin varusteltu Quantum Garage. Samaan aikaan olemme luoneet kansainvälisen yhteistyön johtavista asiantuntijoista, kouluttaneet yli 500 opiskelijaa ja postdocia monilla kvanttitieteen ja -tekniikan aloilla, pitäen samalla laserfokustamme ydintehtävässä: suprajohtavien kubittien koherenssin lisääminen systemaattisesti.” 

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/