O Centro SQMS do Fermilab aborda todos os aspectos do ‘quebra-cabeça quântico’ – 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="Aberto para negócios A diretora do SQMS, Anna Grassellino, dirige-se aos delegados na cerimônia de inauguração da Quantum Garage do Fermilab em novembro de 2023. O laboratório de 560 metros quadrados oferece instalações dedicadas para apoiar programas SQMS em computação quântica e sensoriamento quântico. (Cortesia: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino é uma física com pressa. Como líder de um programa de ciência quântica de 125 milhões de dólares, a sua missão é implementar um roteiro de I&D que poderá valer milhares de milhões de dólares para a indústria tecnológica dos EUA através do desenvolvimento de materiais e dispositivos supercondutores para computadores quânticos da próxima geração.

Especialista em supercondutividade de RF, Grassellino é diretor do Centro de Materiais e Sistemas Quânticos Supercondutores (SQMS) do Fermi National Accelerator Laboratory, a principal instalação de física de partículas dos EUA nos arredores de Chicago, Illinois. Financiado no valor de US$ 25 milhões por ano por meio de seu programa inicial de cinco anos (2020–25), o SQMS é um dos cinco centros de pesquisa dedicados com foco na ciência da informação quântica dentro do sistema do Laboratório Nacional do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (consulte “The DOE Office of Science: apostando alto no quantum”, abaixo).

O objetivo final do DOE e do SQMS: desenvolver e implantar computadores quânticos e sensores quânticos práticos com potencial para adoção científica, industrial e comercial em escala.

Priorizando a colaboração

Para atingir esse objetivo, o SQMS reúne uma colaboração multidisciplinar de mais de 500 cientistas e engenheiros de 30 instituições parceiras – laboratórios nacionais, universidades e empresas nos EUA e além – para abordar “todas as peças do quebra-cabeça quântico”, de acordo com Grassellino. Pense na supercondutividade aplicada e teórica, na ciência da computação, na física de altas energias e da matéria condensada, na criogenia, nos dispositivos de micro-ondas e na engenharia de controle – com todo esse esforço coletivo alinhado diretamente à tradução e aplicação da ciência e tecnologia quântica.

Com esses qubits altamente coerentes, operações de computação quântica mais complexas acabarão se tornando possíveis

Ana Grassellino

Um dos problemas fundamentais que preocupam os pesquisadores do SQMS é a coerência quântica – ou como preservar a vida útil dos estados quânticos frágeis pelo maior tempo possível (segundos em vez de milissegundos ou microssegundos). “Ao usar supercondutores resfriados a temperaturas criogênicas”, diz Grassellino, “criamos ambientes onde os fótons de micro-ondas podem ter vida útil longa e proteção contra perturbações externas. Estas condições permitem gerar estados quânticos, manipulá-los e lê-los. Com esses qubits supercondutores altamente coerentes, operações de computação quântica mais complexas acabarão por se tornar possíveis.”

Embora Grassellino ainda trabalhe em estreita colaboração com cientistas e engenheiros da linha de frente – supervisionando o trabalho no laboratório – sua agenda é cada vez mais alocada em outras direções – envolvendo-se com agências de financiamento e parceiros de pesquisa, por exemplo, garantindo ao mesmo tempo que os projetos de P&D do SQMS permaneçam no caminho certo em relação aos marcos do DOE e resultados. “O que realmente gosto é que não existe um dia típico como diretora de SQMS”, diz ela. "Todo dia é diferente."

Ampliando as instalações

Durante os primeiros três anos do SQMS, a prioridade operacional para Grassellino e sua equipe de gestão era clara: ampliar a infraestrutura de P&D quântica dentro do Fermilab. A chamada “Garagem Quantum” – um laboratório SQMS de aproximadamente 560 metros quadrados que foi lançado formalmente no início de novembro de 2023 – é um exemplo disso. Por um lado, a Quantum Garage é um exercício de capacitação, com uma frota de seis refrigeradores de diluição adicionais (anteriormente eram apenas dois) agora online e fornecendo resfriamento criogênico para apoiar programas experimentais SQMS e teste, medição e caracterização de dispositivos supercondutores e subsistemas.

<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="Sob o mesmo teto Os cientistas do SQMS estabeleceram uma série de bancos de testes de P&D na Quantum Garage para apoiar estudos de qubits supercondutores, processadores de computação quântica e sensores quânticos para o programa de física fundamental do Fermilab. (Cortesia: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Clique para abrir a imagem no pop-up” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -todos-aspectos-do-quebra-cabeça-quântico-física-mundo-1.jpg”>

No entanto, a Garagem Quantum envolve muito mais do que capacidade experimental e produção de pesquisa. “A nova instalação nos permitiu lançar uma série de bancos de testes de P&D quânticos exclusivos”, observa Grassellino. “Essas atividades de teste incluem estudos granulares de qubits supercondutores e processadores de computação quântica, bem como o desenvolvimento de sensores quânticos de alta coerência para apoiar o programa de física fundamental do Fermilab – buscando partículas além do Modelo Padrão, por exemplo, bem como candidatos à matéria escura. e ondas gravitacionais.

Ao longo de outra coordenada, a Quantum Garage fornece a infraestrutura e o pessoal para os chamados “round robins” – essencialmente a troca de materiais, dispositivos e subsistemas quânticos entre parceiros de P&D na rede SQMS para garantir a adoção de protocolos padronizados de teste e medição e qualidade. -cadeias de garantia. “Nossos colegas em laboratórios de normalização como o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) e o Laboratório Físico Nacional (NPL) no Reino Unido são cruciais para o sucesso deste pacote de trabalho”, observa Grassellino.

Uma iniciativa relacionada – a Força-Tarefa Nacional de Nanofabricação – visa aprimorar e padronizar o esforço do SQMS no processamento de nanomateriais. Dentro da força-tarefa, quatro parceiros SQMS – Fermilab, NIST, Northwestern University e Rigetti Computing – estão trabalhando juntos em um programa de melhoria contínua para fabricação em nível de dispositivo.

“Esta é uma colaboração realmente produtiva e de mãos dadas”, observa Grassellino. “Temos pesquisadores e engenheiros de SQMS visitando as instalações de salas limpas uns dos outros, trocando ‘receitas’ de materiais e conhecimento especializado ao longo do caminho.”

Além do mais, a força-tarefa já registrou sucesso ao aumentar de forma reproduzível os tempos de coerência de qubits supercondutores (mais do que um fator de dois) em três dos locais – Fermilab, Rigetti e NIST. A chave aqui é uma técnica de encapsulamento de superfície pioneira em SQMS que evita a formação de dielétricos de superfície (que são altamente prejudiciais ao desempenho do qubit).

Educação e treinamento quântico

A Quantum Garage também é a peça central dos esforços do SQMS para dimensionar a força de trabalho quântica especializada. Em agosto de 2023, por exemplo, quase 150 delegados, provenientes de 70 organizações, passaram 10 dias no Fermilab frequentando a primeira Escola de Ciência da Informação Quântica dos EUA (USQIS). O objetivo da escola, que será realizada anualmente, é desenvolver a próxima geração de cientistas, engenheiros e técnicos quânticos, compartilhando conhecimentos teóricos e habilidades experimentais por meio de uma combinação de palestras, laboratórios, painéis de discussão e sessões de pôsteres.

<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="De volta à escola Em agosto de 2023, a Quantum Garage recebeu quase 150 delegados que frequentaram a primeira Escola de Ciência da Informação Quântica dos EUA (USQIS). (Cortesia: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Clique para abrir a imagem no pop-up” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -todos-aspectos-do-quebra-cabeça-quântico-física-mundo-2.jpg”>

Os participantes da escola inaugural vieram com uma ampla gama de experiências e formações, incluindo estudantes de graduação e pós-graduação, educadores, bem como equipes científicas e técnicas de laboratórios federais e da indústria. Embora a escola tenha sido organizada e hospedada pela SQMS, as palestras e o treinamento foram um esforço coletivo, envolvendo cerca de 50 instrutores especializados de todos os cinco centros de pesquisa quântica do DOE Office of Science. (Com o mesmo espírito, o bastão da escola de 2024 agora passa para o Quantum Science Center no Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee.)

Inovações de teste da QUANT-NET: reimaginando a rede quântica

“Com a escola USQIS, oferecemos um programa de educação quântica que oferece aos participantes uma experiência de aprendizagem interativa e prática – algo que atualmente está fora do alcance de muitos interessados ​​no campo em rápida expansão”, observa Grassellino. Em particular, a escola expõe os alunos a tecnologias facilitadoras sofisticadas – incluindo sistemas de controlo qubit, frigoríficos de diluição de alta capacidade e salas limpas de nanofabricação – nenhuma das quais é encontrada rotineiramente num ambiente universitário típico. “É essa combinação de profundo conhecimento e infraestrutura de ponta que faz dos Laboratórios Nacionais o canal ideal para esse tipo de treinamento e desenvolvimento especializado”, acrescenta Grassellino.

Com o progresso encorajador evidente em várias frentes de SQMS, Grassellino já está voltando sua atenção para o próximo ciclo de financiamento de cinco anos para a iniciativa de ciência da informação quântica do DOE. A proposta de renovação do DOE – atualmente em análise no Congresso – veria o financiamento do SQMS potencialmente aumentado para o ciclo 2025-30.

“O SQMS já é um sucesso”, conclui Grassellino. “Há três anos, tínhamos uma instalação vazia; agora temos uma Garagem Quantum totalmente equipada. Ao mesmo tempo, criamos uma colaboração internacional de especialistas líderes, treinamos mais de 500 estudantes e pós-doutorandos em muitas áreas da ciência e engenharia quântica, ao mesmo tempo que mantemos nosso foco de laser na missão principal: aumentar a coerência de qubits supercondutores em um Maneira sistemática." 

• Conteúdo com tecnologia de SEO e distribuição de relações públicas. Seja amplificado hoje.
• PlatoData.Network Gerativa Vertical Ai. Capacite-se. Acesse aqui.
• PlatoAiStream. Inteligência Web3. Conhecimento Amplificado. Acesse aqui.
• PlatãoESG. Carbono Tecnologia Limpa, Energia, Ambiente, Solar, Gestão de resíduos. Acesse aqui.
• PlatoHealth. Inteligência em Biotecnologia e Ensaios Clínicos. Acesse aqui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/