Centrul SQMS al Fermilab abordează toate aspectele „puzzleului cuantic” – 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="Deschis pentru afaceri Directorul SQMS, Anna Grassellino, se adresează delegaților la ceremonia de tăiere a panglicii pentru Quantum Garage al Fermilab, în ​​noiembrie 2023. Laboratorul de 560 de metri pătrați oferă facilități dedicate pentru a sprijini programele SQMS în calculul cuantic și detectarea cuantică. (Cu amabilitatea: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino este un fizician grăbit. În calitate de lider al unui program de știință cuantică de 125 de milioane de dolari, misiunea ei este de a implementa o foaie de parcurs de cercetare și dezvoltare care ar putea valora miliarde de dolari pentru industria tehnologică din SUA prin dezvoltarea de materiale și dispozitive supraconductoare pentru calculatoarele cuantice de generație următoare.

Specialist în supraconductivitate RF, Grassellino este director al Centrului de Materiale și Sisteme Cuantice Supraconductoare (SQMS) de la Fermi National Accelerator Laboratory, principala unitate de fizică a particulelor din SUA de la periferia orașului Chicago, Illinois. Finanțat în valoare de 25 de milioane de dolari pe an prin programul său inițial de cinci ani (2020-25), SQMS este unul dintre cele cinci centre de cercetare dedicate axate pe știința informațiilor cuantice din cadrul sistemului de laborator național al Departamentului de Energie al SUA (DOE) (a se vedea „The DOE Office of Science: pariuri mari pe quantum”, mai jos).

Jocul final DOE și SQMS: pentru a dezvolta și implementa computere cuantice practice și senzori cuantici cu potențial de adoptare științifică, industrială și comercială la scară.

Prioritizarea colaborării

În acest scop, SQMS reunește o colaborare multidisciplinară a peste 500 de oameni de știință și ingineri din 30 de instituții partenere - laboratoare naționale, universități și întreprinderi din SUA și nu numai - pentru a aborda „toate piesele puzzle-ului cuantic”, potrivit Grassellino. Gândiți-vă la supraconductivitate aplicată și teoretică, știința computațională, fizica energiei înalte și a materiei condensate, criogenie, dispozitive cu microunde și inginerie de control - cu tot acest efort colectiv aliniat direct către traducerea și aplicarea științei și tehnologiei cuantice.

Cu acești qubiți extrem de coerenți, operațiunile de calcul cuantic mai complexe vor deveni în cele din urmă posibile

Anna Grassellino

Una dintre problemele fundamentale care îi preocupă pe cercetătorii SQMS este coerența cuantică – sau cum să păstrăm durata de viață a stărilor cuantice fragile cât mai mult posibil (secunde mai degrabă decât milisecunde sau microsecunde). „Prin folosirea supraconductoarelor răcite la temperaturi criogenice”, spune Grassellino, „creăm medii în care fotonii cu microunde pot avea durate de viață lungi și protecție împotriva perturbațiilor externe. Aceste condiții fac posibilă generarea stărilor cuantice, manipularea lor și citirea lor. Cu acești qubiți supraconductori extrem de coerenți, operațiunile de calcul cuantic mai complexe vor deveni în cele din urmă posibile.”

În timp ce Grassellino încă lucrează îndeaproape cu oameni de știință și ingineri de primă linie – supervizează munca în laborator – programul ei este din ce în ce mai alocat în alte direcții – se implică, de exemplu, cu agențiile de finanțare și cu partenerii de cercetare, asigurându-se în același timp că proiectele SQMS R&D rămân pe drumul cel bun față de reperele DOE și livrabile. „Ceea ce îmi place cu adevărat este că nu există o zi obișnuită ca director SQMS”, spune ea. „Fiecare zi este diferită.”

Extinderea facilităților

În primii trei ani de SQMS, prioritatea operațională pentru Grassellino și echipa sa de management a fost clară: extinderea infrastructurii de cercetare și dezvoltare cuantică din cadrul Fermilab. Așa-numitul „Quantum Garage” – un laborator SQMS de aproximativ 560 de metri pătrați care a fost lansat oficial la începutul lunii noiembrie 2023 – este un exemplu. La un singur nivel, Quantum Garage este un exercițiu de consolidare a capacității, cu o flotă de șase frigidere suplimentare cu diluție (anterior erau doar două) acum online și care oferă răcire criogenică pentru a sprijini programele experimentale SQMS și testarea, măsurarea și caracterizarea dispozitivelor supraconductoare. și subsisteme.

<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="Sub un singur acoperiș Oamenii de știință SQMS au stabilit o serie de bancuri de testare pentru cercetare și dezvoltare în Quantum Garage pentru a sprijini studiile de qubiți supraconductori, procesoare de calcul cuantic și senzori cuantici pentru programul fundamental de fizică al Fermilab. (Cu amabilitatea: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Clic pentru a deschide imaginea în pop-up” href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -toate-aspectele-lumii-fizicii-puzzle-ului-cuantic-1.jpg”>

Cu toate acestea, Quantum Garage este mult mai mult decât capacitatea experimentală și capacitatea de cercetare. „Noua facilitate ne-a permis să lansăm o serie de baze de testare unice de cercetare și dezvoltare cuantică”, notează Grassellino. „Aceste activități de testare includ studii granulare ale qubiților supraconductori și procesoarelor de calcul cuantic, precum și dezvoltarea de senzori cuantici de înaltă coerență pentru a sprijini programul fundamental de fizică al Fermilab – căutarea de particule dincolo de modelul standard, de exemplu, precum și de candidați pentru materia întunecată. și undele gravitaționale.”

De-a lungul unei alte coordonate, Quantum Garage asigură infrastructura și personalul pentru așa-numitele „round robins” – în esență schimbul de materiale cuantice, dispozitive și subsisteme între partenerii de cercetare și dezvoltare din rețeaua SQMS pentru a asigura adoptarea de protocoale standardizate de testare și măsurare și calitate. -lanturi de asigurare. „Colegii noștri de la laboratoarele de standarde precum Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST) și Laboratorul Național de Fizică (NPL) din Marea Britanie sunt cruciali pentru succesul acestui pachet de lucru”, notează Grassellino.

O inițiativă conexă – Grupul Național de Nanofabrication – își propune să îmbunătățească și să standardizeze efortul SQMS în procesarea nanomaterialelor. În cadrul grupului de lucru, patru parteneri SQMS – Fermilab, NIST, Northwestern University și Rigetti Computing – lucrează împreună la un program de îmbunătățire continuă pentru fabricarea la nivel de dispozitiv.

„Aceasta este o colaborare cu adevărat productivă, mână în mână”, notează Grassellino. „Avem cercetători și ingineri SQMS care vizitează unii altora camerele curate, schimbând „rețete” materiale și know-how de specialitate pe parcurs.”

În plus, grupul de lucru a înregistrat deja succes prin creșterea reproductibilă a timpilor de coerență ai qubitilor supraconductori (mai mult de un factor de doi) în trei dintre site-uri - Fermilab, Rigetti și NIST. Cheia aici este o tehnică de încapsulare a suprafeței inițiată de SQMS, care previne formarea dielectricilor de suprafață (care sunt foarte dăunătoare performanței qubitului).

Educație și formare cuantică

Quantum Garage este, de asemenea, piesa centrală pentru eforturile SQMS de a extinde forța de muncă cuantică de specialitate. În august 2023, de exemplu, aproape 150 de delegați, adunați din 70 de organizații, au petrecut 10 zile la Fermilab, participând la prima școală de știință a informațiilor cuantice din SUA (USQIS). Scopul școlii, care va avea loc anual, este de a dezvolta următoarea generație de oameni de știință, ingineri și tehnicieni cuantici prin împărtășirea cunoștințelor teoretice și a abilităților experimentale printr-un amestec de prelegeri, timp de laborator, discuții și sesiuni de 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="Înapoi la școală În august 2023, Quantum Garage a găzduit aproape 150 de delegați care au participat la prima școală de Știință a Informației Cuantice din SUA (USQIS). (Cu amabilitatea: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Clic pentru a deschide imaginea în pop-up” href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -toate-aspectele-lumii-fizicii-puzzle-ului-cuantic-2.jpg”>

Participanții la școala inaugurală au venit cu o gamă largă de experiență și medii, inclusiv studenți de licență și absolvenți, educatori, precum și personal științific și tehnic din laboratoare și industrie federale. În timp ce școala a fost organizată și găzduită de SQMS, prelegerile și formarea au fost în mare măsură un efort colectiv, care a implicat aproape 50 de instructori experți din toate cele cinci centre de cercetare cuantică DOE Office of Science. (În același spirit, ștafeta școlii din 2024 trece acum la Centrul de Știință Cuantică de la Laboratorul Național Oak Ridge din Tennessee.)

Inovațiile QUANT-NET pe bancul de testare: reimaginarea rețelei cuantice

„Prin școala USQIS, oferim un program de educație cuantică care oferă participanților o experiență de învățare interactivă, practică – care este în prezent la îndemâna celor interesați de domeniul în expansiune rapidă”, notează Grassellino. În special, școala îi expune pe participanți la tehnologii de sprijin sofisticate – inclusiv sisteme de control al qubitului, frigidere cu diluare de mare capacitate și camere curate de nanofabricare – dintre care niciuna nu se găsește în mod obișnuit într-un cadru universitar tipic. „Acest amestec de expertiză profundă și infrastructură de ultimă oră face din Laboratoarele Naționale canalul ideal pentru acest tip de formare și dezvoltare specializată”, adaugă Grassellino.

Având în vedere progresul încurajator de-a lungul mai multor fronturi SQMS, Grassellino își îndreaptă deja atenția către următorul ciclu de finanțare de cinci ani pentru inițiativa de știință a informațiilor cuantice a DOE. Reînnoirea propusă de DOE – în prezent în curs de revizuire în Congres – ar avea ca finanțare SQMS potențial stimulată pentru ciclul 2025-30.

„SQMS este deja un succes”, conchide Grassellino. „Acum trei ani, aveam o unitate goală; acum avem un garaj Quantum complet echipat. În același timp, am creat o colaborare internațională a experților de top, am instruit peste 500 de studenți și postdoctori în multe domenii ale științei și ingineriei cuantice, menținând în același timp concentrarea laserului asupra misiunii de bază: creșterea coerenței qubiților supraconductori într-un mod sistematic.” 

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/