Центр SQMS Fermilab розглядає всі аспекти «квантової головоломки» – 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="Відкритий для бізнесу Директор SQMS Анна Грасселліно звертається до делегатів на церемонії перерізання стрічки в квантовому гаражі Fermilab у листопаді 2023 року. Лабораторія площею 560 квадратних метрів надає спеціальні приміщення для підтримки програм SQMS у квантових обчисленнях і квантовому зондуванні. (З дозволу: Ден Свобода, Райан Постел/Fermilab)”>

Анна Грасселіно – фізик, який поспішає. Як керівник квантової наукової програми вартістю 125 мільйонів доларів США, її завдання полягає в реалізації плану досліджень і розробок, який може коштувати мільярди доларів для технічної промисловості США через розробку надпровідних матеріалів і пристроїв для квантових комп’ютерів нового покоління.

Спеціаліст із радіочастотної надпровідності, Ґрасселліно є директором центру надпровідних квантових матеріалів і систем (SQMS) у Національній прискорювальній лабораторії Фермі, видатній установі фізики елементарних частинок США на околиці Чикаго, штат Іллінойс. Фінансований у розмірі 25 мільйонів доларів США на рік у рамках початкової п’ятирічної програми (2020–25 рр.), SQMS є одним із п’яти спеціалізованих дослідницьких центрів, які зосереджуються на квантовій інформаційній науці в системі Національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) (див. Управління науки Міністерства освіти і науки: великі ставки на квант», нижче).

Кінцева гра DOE та SQMS: розробити та розгорнути практичні квантові комп’ютери та квантові датчики з потенціалом для масштабного наукового, промислового та комерційного впровадження.

Пріоритет співпраці

Для досягнення цієї мети SQMS об’єднує міждисциплінарне співробітництво понад 500 вчених та інженерів із 30 установ-партнерів – національних лабораторій, університетів і компаній у США та за їх межами – для вирішення «всіх частин квантової головоломки», за словами Грасселіно. Подумайте про прикладну та теоретичну надпровідність, обчислювальну техніку, фізику високих енергій і конденсованих середовищ, кріогеніку, мікрохвильові пристрої та техніку управління – усі ці колективні зусилля спрямовані прямо на переклад і застосування квантової науки та технологій.

З цими висококогерентними кубітами зрештою стануть можливими більш складні квантові обчислювальні операції

Анна Грасселіно

Однією з фундаментальних проблем, що турбують дослідників SQMS, є квантова когерентність – або те, як зберегти час життя крихких квантових станів якомога довше (секунди, а не мілісекунди чи мікросекунди). «Використовуючи надпровідники, охолоджені до кріогенних температур, — говорить Грасселіно, — ми створюємо середовище, у якому фотони мікрохвильового випромінювання можуть мати тривалий термін служби та захист від зовнішніх збурень. Ці умови дозволяють генерувати квантові стани, маніпулювати ними та зчитувати їх. З цими висококогерентними надпровідними кубітами зрештою стануть можливими більш складні квантові обчислювальні операції».

Незважаючи на те, що Грасселліно продовжує тісно співпрацювати з передовими вченими та інженерами, контролюючи роботу в лабораторії, її графік дедалі більше розподіляється в інших напрямках – наприклад, у взаємодії з фінансовими агенціями та дослідницькими партнерами, забезпечуючи виконання проектів науково-дослідницьких розробок SQMS у порівнянні з основними етапами DOE. і результати. «Мені справді подобається те, що на посаді директора SQMS немає звичайного дня», — каже вона. «Кожен день різний».

Збільшення об'єктів

Протягом перших трьох років SQMS операційний пріоритет для Грасселліно та її команди керівництва був чітким: розширити інфраструктуру квантових досліджень і розробок у Fermilab. Так званий «Квантовий гараж» — лабораторія SQMS площею приблизно 560 квадратних метрів, офіційно запущена на початку листопада 2023 року — є прикладом цього. З одного боку, Quantum Garage — це вправа з нарощування потенціалу, з парком із шести додаткових холодильників для розведення (раніше їх було лише два), які зараз працюють і забезпечують кріогенне охолодження для підтримки експериментальних програм SQMS та тестування, вимірювання та визначення характеристик надпровідних пристроїв. і підсистеми.

<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="Під одним дахом SQMS scientists have established a series of R&D testbeds in the Quantum Garage to support studies of superconducting qubits, quantum computing processors and quantum sensors for Fermilab’s fundamental physics programme. (Courtesy: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg”>

Однак Quantum Garage — це набагато більше, ніж експериментальна потужність і продуктивність досліджень. «Нове підприємство дозволило нам запустити серію унікальних стендів для квантових досліджень і розробок», — зазначає Грасселіно. «Ці дії на випробувальному стенді включають детальні дослідження надпровідних кубітів і квантових обчислювальних процесорів, а також розробку висококогерентних квантових датчиків для підтримки фундаментальної фізичної програми Fermilab – наприклад, пошуку частинок за межами Стандартної моделі, а також кандидатів у темну матерію. і гравітаційні хвилі».

За іншою координатою Quantum Garage забезпечує інфраструктуру та персонал для так званих «кругових маніпуляцій» — по суті, обміну квантовими матеріалами, пристроями та підсистемами між партнерами з досліджень і розробок у мережі SQMS для забезпечення впровадження стандартизованих протоколів тестування та вимірювання та якості. - ланцюги гарантій. «Наші колеги в таких лабораторіях зі стандартизації, як Національний інститут стандартів і технологій США (NIST) і Національна фізична лабораторія (NPL) у Великобританії, мають вирішальне значення для успіху цього пакету робіт», — зазначає Грасселіно.

Пов’язана ініціатива – Національна робоча група з нанофабрикацій – спрямована на покращення та стандартизацію зусиль SQMS у обробці наноматеріалів. У робочій групі чотири партнери SQMS – Fermilab, NIST, Північно-західний університет і Rigetti Computing – разом працюють над програмою безперервного вдосконалення виробництва на рівні пристроїв.

«Це справді продуктивна співпраця рука об руку», — зазначає Грасселіно. «У нас є дослідники та інженери SQMS, які відвідують чисті приміщення один одного, обмінюючись «рецептами» матеріалів і спеціальними ноу-хау».

Більше того, робоча група вже зареєструвала успіх, відтворювано збільшивши час когерентності надпровідних кубітів (більш ніж у два рази) у трьох центрах – Фермілаб, Рігетті та NIST. Ключовим тут є техніка поверхневої інкапсуляції, запроваджена SQMS, яка запобігає утворенню поверхневих діелектриків (які дуже шкодять продуктивності кубіта).

Квантова освіта та навчання

Quantum Garage також є центром зусиль SQMS, спрямованих на розширення квантової робочої сили фахівців. Наприклад, у серпні 2023 року майже 150 делегатів із 70 організацій провели 10 днів у Fermilab, відвідуючи першу в США Школу квантової інформаційної науки (USQIS). Метою школи, яка проводитиметься щорічно, є розвиток наступного покоління квантових учених, інженерів і техніків шляхом обміну теоретичними знаннями та експериментальними навичками через поєднання лекцій, лабораторних занять, панельних дискусій і постерних сесій.

<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="Назад до школи In August 2023, the Quantum Garage hosted nearly 150 delegates attending the first US Quantum Information Science (USQIS) School. (Courtesy: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg”>

Учасники першої школи прийшли з широким спектром досвіду та досвіду, включаючи студентів та аспірантів, викладачів, а також науково-технічний персонал із федеральних лабораторій та промисловості. Незважаючи на те, що школа була організована та проведена SQMS, лекції та тренінги були в основному колективними зусиллями, в яких брали участь близько 50 інструкторів-експертів з усіх п’яти центрів квантових досліджень Міністерства освіти і науки. (У тому ж дусі естафету школи 2024 року тепер переходить до Центру квантової науки в Національній лабораторії Оук-Рідж у Теннессі.)

Інновації на тестовому стенді QUANT-NET: переосмислення квантової мережі

«Зі школою USQIS ми пропонуємо програму квантової освіти, яка дає учасникам інтерактивний практичний досвід навчання, подібний до якого зараз недоступний для багатьох, хто цікавиться сферою, що швидко розвивається», — зазначає Грасселіно. Зокрема, школа знайомить слухачів зі складними базовими технологіями, включаючи системи керування кубітом, холодильники з розбавленням великої місткості та чисті кімнати для нанофабрик, жодна з яких зазвичай не зустрічається в типовому університетському середовищі. «Саме поєднання глибокого досвіду та передової інфраструктури робить Національні лабораторії ідеальним каналом для такого роду навчання та розвитку фахівців», – додає Грасселіно.

Маючи обнадійливий прогрес, очевидний на багатьох фронтах SQMS, Грасселліно вже звертає свою увагу на наступний п’ятирічний цикл фінансування ініціативи Міністерства освіти з квантової інформаційної науки. Запропоноване поновлення Міністерством освіти, яке зараз розглядається в Конгресі, призведе до потенційного збільшення фінансування SQMS у циклі 2025-30 років.

«SQMS вже має успіх», — підсумовує Грасселіно. «Три роки тому у нас був порожній заклад; тепер у нас є повністю обладнаний Quantum Garage. У той же час ми створили міжнародне співробітництво провідних експертів, підготували понад 500 студентів і постдоків у багатьох областях квантової науки та техніки, зберігаючи при цьому наш лазерний фокус на основній місії: підвищенні когерентності надпровідних кубітів у системним чином». 

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/