מרכז SQMS של פרמילאב מתייחס לכל ההיבטים של 'הפאזל הקוונטי' - עולם הפיזיקה

<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="פתוח לעסקים מנהלת SQMS אנה גרסלינו פונה לנציגים בטקס גזירת הסרט למוסך הקוונטי של פרמילב בנובמבר 2023. המעבדה בשטח של 560 מ"ר מספקת מתקנים ייעודיים לתמיכה בתוכניות SQMS במחשוב קוונטי וחישה קוונטית. (באדיבות: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

אנה גרסלינו היא פיזיקאית ממהרת. כמנהיגה של תוכנית מדעי קוונטית בסך 125 מיליון דולר, התפקיד שלה הוא ליישם מפת דרכים של מו"פ שעשויה להיות שווה מיליארדי דולרים עבור תעשיית הטכנולוגיה האמריקאית באמצעות פיתוח חומרים ומכשירים מוליכים-על למחשבים קוונטיים מהדור הבא.

מומחה למוליכות-על RF, Grasselino הוא מנהל המרכז לחומרים ומערכות קוונטיים (SQMS) מוליכים ב-Fermi National Accelerator Laboratory, המתקן המובהק לפיזיקת החלקיקים בארה"ב בפאתי שיקגו, אילינוי. SQMS ממומן בהיקף של 25 מיליון דולר בשנה באמצעות תוכנית החמש-שנתית הראשונית שלה (2020-25), הוא אחד מחמישה מרכזי מחקר ייעודיים המתמקדים במדעי המידע הקוונטי בתוך מערכת המעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) (ראה " משרד המדע של DOE: הימור גדול על קוואנטים", להלן).

משחק הקצה של DOE ו-SQMS: לפתח ולפרוס מחשבים קוונטיים וחיישנים קוונטיים מעשיים עם פוטנציאל לאימוץ מדעי, תעשייתי ומסחרי.

מתן עדיפות לשיתוף פעולה

לקראת מטרה זו, SQMS מפגישה שיתוף פעולה רב-תחומי של יותר מ-500 מדענים ומהנדסים מ-30 מוסדות שותפים - מעבדות לאומיות, אוניברסיטאות ועסקים בארה"ב ומחוצה לה - כדי להתמודד עם "כל החלקים של הפאזל הקוונטי", לפי גראסלינו. חשבו על מוליכות-על יישומית ותיאורטית, מדע חישובי, פיזיקה של אנרגיה גבוהה וחומר מעובה, קריאוגניקה, מכשירי מיקרוגל והנדסת בקרה - כשכל המאמץ הקולקטיבי הזה מיושר באופן ישיר לתרגום ויישום של מדע וטכנולוגיה קוונטית.

עם הקיוביטים הקוהרנטיים הללו, בסופו של דבר יתאפשרו פעולות מחשוב קוונטי מורכבות יותר

אנה גרסלינו

אחת הבעיות היסודיות המעסיקות את חוקרי SQMS היא קוהרנטיות קוונטית - או איך לשמר את משך החיים של מצבים קוונטיים שבירים לאורך זמן רב ככל האפשר (שניות ולא אלפיות שניות או מיקרו-שניות). "על ידי שימוש במוליכי-על מקוררים לטמפרטורות קריוגניות", אומר גראסלינו, "אנו יוצרים סביבות שבהן פוטונים של מיקרוגל יכולים להיות בעלי חיים ארוכים והגנה מפני הפרעות חיצוניות. תנאים אלו מאפשרים ליצור מצבים קוונטיים, לתמרן אותם ולקרוא אותם. עם הקיוביטים המוליכים העל קוהרנטיים הללו, בסופו של דבר יתאפשרו פעולות מחשוב קוונטי מורכבות יותר."

בעוד שגרסלינו עדיין עובדת בשיתוף פעולה הדוק עם מדענים ומהנדסים מהשורה הראשונה - מפקחת על העבודה במעבדה - לוח הזמנים שלה מוקצה יותר ויותר לכיוונים אחרים - מעורבות עם סוכנויות מימון ושותפי מחקר, למשל, תוך הבטחת פרויקטי מו"פ של SQMS להישאר במסלול לעומת אבני דרך DOE ומוצרים. "מה שאני באמת נהנית זה שאין יום טיפוסי כמנהלת SQMS", היא אומרת. "כל יום הוא שונה."

הגדלת המתקנים

במהלך שלוש השנים הראשונות של SQMS, העדיפות התפעולית של Grassellino וצוות ההנהלה שלה הייתה ברורה: להגדיל את תשתית המו"פ הקוונטית בתוך Fermilab. מה שמכונה "מוסך קוואנטים" - מעבדת SQMS בשטח של כ-560 מ"ר שהושקה רשמית בתחילת נובמבר 2023 - הוא דוגמה לכך. ברמה אחת, מוסך הקוונטים הוא תרגיל בבניית קיבולת, עם צי של שישה מקררי דילול נוספים (בעבר היו רק שניים) עכשיו מקוונים ומספקים קירור קריוגני לתמיכה בתוכניות ניסוי SQMS ובדיקה, מדידה ואפיון של התקני מוליכים-על. ותתי מערכות.

<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="תחת קורת גג אחת מדעני SQMS הקימו סדרה של ערכות מחקר ופיתוח במוסך הקוונטים כדי לתמוך במחקרים של קיוביטים מוליכים-על, מעבדי מחשוב קוונטי וחיישנים קוונטיים עבור תוכנית הפיזיקה הבסיסית של Fermilab. (באדיבות: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg”>

עם זאת, מוסך הקוונטים עוסק בהרבה יותר מיכולת ניסוי ותפוקת מחקר. "המתקן החדש איפשר לנו להשיק סדרה של ערכות מחקר ופיתוח קוונטיות ייחודיות", מציין גראסלינו. "פעילויות המבחן הללו כוללות מחקרים גרעיניים של קיוביטים מוליכים-על ומעבדי מחשוב קוונטי, כמו גם פיתוח חיישני קוונטיים בעלי קוהרנטיות גבוהה לתמיכה בתוכנית הפיזיקה הבסיסית של Fermilab - חיפוש אחר חלקיקים מעבר למודל הסטנדרטי, למשל, כמו גם מועמדים לחומר אפל. וגלי כבידה".

יחד עם קואורדינטה אחרת, מוסך הקוונטים מספק את התשתית והכוח אדם למה שמכונה "רובין עגול" - בעצם החלפת חומרים קוונטיים, התקנים ותתי-מערכות בין שותפי מו"פ ברשת SQMS כדי להבטיח אימוץ של פרוטוקולי בדיקה ומדידה סטנדרטיים ואיכות -רשתות הבטחה. "הקולגות שלנו במעבדות תקנים כמו המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארה"ב (NIST) והמעבדה הפיזית הלאומית (NPL) בבריטניה הם קריטיים להצלחת חבילת העבודה הזו", מציין גראסלינו.

יוזמה קשורה - כוח המשימה הלאומי לננו-ייצור - שואפת לשפר ולתקן את מאמץ SQMS בעיבוד ננו-חומרים. בתוך צוות המשימה, ארבעה שותפי SQMS - Fermilab, NIST, Northwestern University ו-Rigetti Computing - עובדים יחד על תוכנית שיפור מתמיד לייצור ברמת המכשיר.

"זהו שיתוף פעולה ממש פרודוקטיבי, יד ביד", מציין גראסלינו. "יש לנו חוקרים ומהנדסים של SQMS מבקרים זה במתקני החדר הנקיים של זה, מחליפים 'מתכונים' חומרים וידע מומחים לאורך הדרך."

יתרה מכך, צוות המשימה כבר רשם הצלחה על ידי הגדלת זמני הקוהרנטיות של קווביטים מוליכים-על באופן שחזור (יותר מפקטור של שניים) בשלושה מהאתרים - Fermilab, Rigetti ו-NIST. המפתח כאן הוא טכניקת אנקפסולציה משטח חלוצה של SQMS המונעת היווצרות של דיאלקטריים על פני השטח (אשר פוגעים מאוד בביצועי הקיוביט).

חינוך והכשרה קוונטית

מוסך הקוואנטים הוא גם המרכז למאמצי SQMS להרחיב את כוח העבודה הקוונטי המתמחה. עוד באוגוסט 2023, למשל, כמעט 150 נציגים, שנלקחו מ-70 ארגונים, בילו 10 ימים ב-Fermilab בלימודים בבית הספר הראשון למדעי המידע הקוונטי בארה"ב (USQIS). מטרת בית הספר, שיתקיים מדי שנה, היא לפתח את הדור הבא של מדעני קוונטים, מהנדסים וטכנאים על ידי שיתוף ידע תיאורטי ומיומנויות ניסוי באמצעות שילוב של הרצאות, זמן מעבדה, דיוני פאנל ומפגשי פוסטרים.

<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="חזרה לבית הספר באוגוסט 2023, מוסך הקוונטים אירח כמעט 150 נציגים שלמדו בבית הספר הראשון למדעי המידע הקוונטים בארה"ב (USQIS). (באדיבות: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg”>

המשתתפים בבית הספר המכונן הגיעו עם מגוון רחב של ניסיון ורקע, כולל סטודנטים לתואר ראשון ושני, מחנכים, כמו גם צוות מדעי וטכני ממעבדות פדרליות ומהתעשייה. בעוד שבית הספר מאורגן ומתארח על ידי SQMS, ההרצאות וההכשרה היו מאמץ קולקטיבי מאוד, שכלל קרוב ל-50 מדריכים מומחים מכל חמשת מרכזי המחקר הקוונטי של משרד ה-DOE. (באותה רוח, השרביט של בית הספר לשנת 2024 עובר כעת למרכז המדע הקוונטי במעבדה הלאומית Oak Ridge בטנסי.)

חידושי המבחן של QUANT-NET: דמיון מחדש של הרשת הקוונטית

"עם בית הספר USQIS, אנו מציעים תוכנית חינוך קוונטי המעניקה למשתתפים חווית למידה אינטראקטיבית מעשית - שכמותה אינה בהישג ידם של רבים המתעניינים בתחום המתרחב במהירות", מציין גראסלינו. בפרט, בית הספר חושף את המשתתפים לטכנולוגיות מאפשרות מתוחכמות - כולל מערכות בקרת קיוביט, מקררי דילול בעלי קיבולת גבוהה וחדרים נקיים בננו-ייצור - שאף אחת מהן לא נמצאת בדרך כלל בסביבה אוניברסיטאית טיפוסית. "זה השילוב הזה של מומחיות עמוקה ותשתית מתקדמת שהופכים את המעבדות הלאומיות לערוץ האידיאלי להכשרה ופיתוח מומחים מסוג זה", מוסיף גראסלינו.

עם התקדמות מעודדת ניכרת לאורך חזיתות SQMS מרובות, גראסלינו כבר מפנה את תשומת לבה למחזור המימון הבא של חמש שנים עבור יוזמת מדעי המידע הקוונטי של DOE. החידוש המוצע של ה-DOE - שנמצא כעת בבדיקה בקונגרס - יאפשר להגדיל את מימון ה-SQMS עבור מחזור 2025-30.

"SQMS כבר הצלחה", מסכם גראסלינו. "לפני שלוש שנים היה לנו מתקן ריק; עכשיו יש לנו מוסך קוונטי מאובזר לחלוטין. במקביל, יצרנו שיתוף פעולה בינלאומי של מומחים מובילים, הכשרנו יותר מ-500 סטודנטים ופוסט-דוקטורנטים בתחומים רבים של מדעי הקוונטים והנדסה, תוך שמירה על מיקוד הלייזר שלנו במשימת הליבה: הגדלת הקוהרנטיות של קיוביטים מוליכים-על ב-. בצורה שיטתית." 

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/