Il Centro SQMS del Fermilab affronta tutti gli aspetti del “puzzle quantistico” – Physics World

<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="Aperto per affari La direttrice di SQMS, Anna Grassellino, si rivolge ai delegati alla cerimonia del taglio del nastro per il Quantum Garage del Fermilab nel novembre 2023. Il laboratorio di 560 metri quadrati offre strutture dedicate per supportare i programmi SQMS nell'informatica quantistica e nel rilevamento quantistico. (Per gentile concessione di Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino è una fisica che ha fretta. In qualità di leader di un programma di scienza quantistica da 125 milioni di dollari, il suo compito è quello di implementare una tabella di marcia di ricerca e sviluppo che potrebbe valere miliardi di dollari per l’industria tecnologica statunitense attraverso lo sviluppo di materiali e dispositivi superconduttori per i computer quantistici di prossima generazione.

Specialista in superconduttività RF, Grassellino è direttore del Centro Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) presso il Fermi National Accelerator Laboratory, la principale struttura statunitense di fisica delle particelle alla periferia di Chicago, Illinois. Finanziato per un importo di 25 milioni di dollari all’anno attraverso il suo programma quinquennale iniziale (2020-25), SQMS è uno dei cinque centri di ricerca dedicati focalizzati sulla scienza dell’informazione quantistica all’interno del sistema dei laboratori nazionali del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) (vedi “The DOE Office of Science: scommettere in grande sulla quantistica”, di seguito).

L’obiettivo finale del DOE e dell’SQMS: sviluppare e distribuire pratici computer quantistici e sensori quantistici con il potenziale per l’adozione scientifica, industriale e commerciale su larga scala.

Dare priorità alla collaborazione

Verso questo obiettivo, SQMS riunisce una collaborazione multidisciplinare di oltre 500 scienziati e ingegneri provenienti da 30 istituzioni partner – laboratori nazionali, università e aziende negli Stati Uniti e oltre – per affrontare “tutti i pezzi del puzzle quantistico”, secondo Grassellino. Pensate alla superconduttività applicata e teorica, alla scienza computazionale, alla fisica delle alte energie e della materia condensata, alla criogenia, ai dispositivi a microonde e all’ingegneria di controllo – con tutto questo sforzo collettivo allineato esattamente verso la traduzione e l’applicazione della scienza e della tecnologia quantistica.

Con questi qubit altamente coerenti, alla fine diventeranno possibili operazioni di calcolo quantistico più complesse

Anna Grassellini

Uno dei problemi fondamentali che preoccupano i ricercatori SQMS è la coerenza quantistica, ovvero come preservare la durata dei fragili stati quantistici il più a lungo possibile (secondi anziché millisecondi o microsecondi). “Utilizzando superconduttori raffreddati a temperature criogeniche”, spiega Grassellino, “creiamo ambienti in cui i fotoni a microonde possono avere una lunga durata e protezione dalle perturbazioni esterne. Queste condizioni rendono possibile generare stati quantistici, manipolarli e leggerli. Con questi qubit superconduttori altamente coerenti, alla fine diventeranno possibili operazioni di calcolo quantistico più complesse”.

Sebbene Grassellino lavori ancora a stretto contatto con scienziati e ingegneri in prima linea – supervisionando il lavoro in laboratorio – il suo programma è sempre più assegnato ad altre direzioni – collaborando con agenzie di finanziamento e partner di ricerca, ad esempio, garantendo al tempo stesso che i progetti di ricerca e sviluppo SQMS rimangano sulla buona strada rispetto alle pietre miliari del DOE e risultati finali. "Ciò che mi piace davvero è che non esiste una giornata tipo come direttore di SQMS", afferma. “Ogni giorno è diverso.”

Ampliare le strutture

Durante i primi tre anni di SQMS, la priorità operativa per Grassellino e il suo team di gestione era chiara: ampliare l’infrastruttura di ricerca e sviluppo quantistico all’interno del Fermilab. Un esempio emblematico è il cosiddetto “Quantum Garage”, un laboratorio SQMS di circa 560 metri quadrati lanciato formalmente all’inizio di novembre 2023. Da un lato, il Quantum Garage è un esercizio di rafforzamento delle capacità, con una flotta di sei ulteriori frigoriferi a diluizione (in precedenza ce n'erano solo due) ora online e che forniscono raffreddamento criogenico per supportare i programmi sperimentali SQMS e test, misurazione e caratterizzazione di dispositivi superconduttori e sottosistemi.

<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="Sotto lo stesso tetto Gli scienziati di SQMS hanno creato una serie di banchi di prova di ricerca e sviluppo nel Quantum Garage per supportare gli studi su qubit superconduttori, processori di calcolo quantistico e sensori quantistici per il programma di fisica fondamentale del Fermilab. (Per gentile concessione: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Fare clic per aprire l'immagine in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -tutti-gli-aspetti-del-mondo-della-fisica-quantistica-1.jpg”>

Tuttavia, il Quantum Garage è molto più che semplice capacità sperimentale e produttività della ricerca. “La nuova struttura ci ha permesso di lanciare una serie di banchi di prova unici per la ricerca e lo sviluppo quantistico”, osserva Grassellino. “Queste attività sul banco di prova includono studi granulari di qubit superconduttori e processori di calcolo quantistico, nonché lo sviluppo di sensori quantistici ad alta coerenza per supportare il programma di fisica fondamentale del Fermilab – la ricerca di particelle oltre il Modello Standard, ad esempio, così come candidati alla materia oscura e le onde gravitazionali”.

Lungo un'altra coordinata, il Quantum Garage fornisce l'infrastruttura e il personale per i cosiddetti "round robin" - essenzialmente lo scambio di materiali, dispositivi e sottosistemi quantistici tra i partner di ricerca e sviluppo nella rete SQMS per garantire l'adozione di protocolli di test e misurazione standardizzati e qualità -catene assicurative. «I nostri colleghi dei laboratori di standardizzazione come il National Institute for Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti e il National Physical Laboratory (NPL) nel Regno Unito sono fondamentali per il successo di questo pacchetto di lavoro», osserva Grassellino.

Un’iniziativa correlata – la National Nanofabrication Taskforce – mira a migliorare e standardizzare l’impegno dell’SQMS nella lavorazione dei nanomateriali. All’interno della task force, quattro partner SQMS – Fermilab, NIST, Northwestern University e Rigetti Computing – stanno lavorando insieme su un programma di miglioramento continuo per la fabbricazione a livello di dispositivo.

“Si tratta di una collaborazione davvero produttiva e di stretta collaborazione”, osserva Grassellino. “Abbiamo ricercatori e ingegneri SQMS che visitano le rispettive strutture di camere bianche, scambiandosi “ricette” di materiali e know-how specialistico lungo il percorso”.

Inoltre, la task force ha già registrato il successo aumentando in modo riproducibile i tempi di coerenza dei qubit superconduttori (più di un fattore due) in tre siti: Fermilab, Rigetti e NIST. La chiave qui è una tecnica di incapsulamento superficiale pionieristica di SQMS che impedisce la formazione di dielettrici superficiali (che sono altamente dannosi per le prestazioni dei qubit).

Educazione e formazione quantistica

Il Quantum Garage è anche il fulcro degli sforzi di SQMS per ampliare la forza lavoro specializzata in quantistica. Nell’agosto 2023, ad esempio, quasi 150 delegati, provenienti da 70 organizzazioni, hanno trascorso 10 giorni al Fermilab frequentando la prima scuola statunitense di scienza dell’informazione quantistica (USQIS). Lo scopo della scuola, che si terrà ogni anno, è quello di sviluppare la prossima generazione di scienziati, ingegneri e tecnici quantistici condividendo conoscenze teoriche e abilità sperimentali attraverso un mix di lezioni frontali, attività di laboratorio, tavole rotonde e sessioni di poster.

<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="Ritorno a scuola Nell'agosto 2023, il Quantum Garage ha ospitato quasi 150 delegati che hanno frequentato la prima scuola statunitense di scienza dell'informazione quantistica (USQIS). (Per gentile concessione: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Fare clic per aprire l'immagine in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -tutti-gli-aspetti-del-puzzle-quantistico-mondo-fisica-2.jpg”>

I partecipanti alla scuola inaugurale provenivano da un'ampia gamma di esperienze e background, tra cui studenti universitari e laureati, educatori, nonché personale scientifico e tecnico dei laboratori federali e dell'industria. Anche se la scuola è stata organizzata e ospitata da SQMS, le lezioni e la formazione sono state uno sforzo collettivo, che ha coinvolto quasi 50 istruttori esperti provenienti da tutti e cinque i centri di ricerca quantistica del DOE Office of Science. (Con lo stesso spirito, il testimone per la scuola del 2024 passa ora al Quantum Science Center presso l’Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee.)

Le innovazioni del banco di prova di QUANT-NET: reinventare la rete quantistica

“Con la scuola USQIS, stiamo offrendo un programma di educazione quantistica che offre ai partecipanti un’esperienza di apprendimento interattiva e pratica – qualcosa di simile è attualmente fuori dalla portata di molti interessati a questo campo in rapida espansione”, osserva Grassellino. In particolare, la scuola espone i partecipanti a sofisticate tecnologie abilitanti – tra cui sistemi di controllo qubit, frigoriferi a diluizione ad alta capacità e camere bianche di nanofabbricazione – nessuna delle quali si trova abitualmente in un tipico ambiente universitario. “È questo mix di competenze approfondite e infrastrutture all’avanguardia che rendono i Laboratori Nazionali il canale ideale per questo tipo di formazione e sviluppo specialistico”, aggiunge Grassellino.

Con progressi incoraggianti evidenti su più fronti SQMS, Grassellino sta già rivolgendo la sua attenzione al prossimo ciclo di finanziamento quinquennale per l’iniziativa di scienza dell’informazione quantistica del DOE. Il rinnovo proposto dal DOE – attualmente all’esame del Congresso – vedrebbe un potenziale aumento dei finanziamenti SQMS per il ciclo 2025-30.

“SQMS è già un successo”, conclude Grassellino. “Tre anni fa avevamo una struttura vuota; ora abbiamo un Quantum Garage completamente attrezzato. Allo stesso tempo, abbiamo creato una collaborazione internazionale di esperti leader, formato più di 500 studenti e dottorandi in molte aree della scienza e dell’ingegneria quantistica, pur mantenendo la nostra attenzione alla missione principale: aumentare la coerenza dei qubit superconduttori in un sistema modo sistematico”. 

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