Fermilabs SQMS Center behandler alle aspekter af 'kvantepuslespillet' - Physics World

<a href="https://platoaistream.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://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-4.jpg" data-caption="Åben for forretning SQMS-direktør Anna Grassellino taler til delegerede ved båndklippe-ceremonien for Fermilabs Quantum Garage i november 2023. Det 560 kvadratmeter store laboratorium tilbyder dedikerede faciliteter til at understøtte SQMS-programmer inden for kvanteberegning og kvanteregistrering. (Med høflighed: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino er en fysiker i en fart. Som leder af et 125 millioner dollars kvantevidenskabsprogram er hendes opgave at implementere en R&D-køreplan, der kan være milliarder af dollars værd for den amerikanske teknologiindustri via udvikling af superledende materialer og enheder til næste generations kvantecomputere.

En specialist i RF-superledning, Grassellino er direktør for Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center på Fermi National Accelerator Laboratory, den fremtrædende amerikanske partikelfysikfacilitet i udkanten af ​​Chicago, Illinois. SQMS, der er finansieret til en værdi af $25 mio. år gennem dets første femårige program (2020-25), er et af fem dedikerede forskningscentre med fokus på kvanteinformationsvidenskab inden for det amerikanske energiministerium (DOE) National Laboratory-system (se "The DOE Office of Science: satser stort på kvante”, nedenfor).

DOE- og SQMS-slutspillet: at udvikle og implementere praktiske kvantecomputere og kvantesensorer med potentiale for videnskabelig, industriel og kommerciel anvendelse i stor skala.

At prioritere samarbejde

For at nå dette mål samler SQMS et tværfagligt samarbejde mellem mere end 500 videnskabsmænd og ingeniører fra 30 partnerinstitutioner – nationale laboratorier, universiteter og virksomheder i USA og videre – for at løse "alle brikkerne i kvantepuslespillet", ifølge Grassellino. Tænk anvendt og teoretisk superledning, beregningsvidenskab, højenergi- og kondenseret stoffysik, kryogenik, mikrobølgeenheder og kontrolteknik – med al denne kollektive indsats rettet mod oversættelse og anvendelse af kvantevidenskab og -teknologi.

Med disse meget sammenhængende qubits vil mere komplekse kvanteberegningsoperationer i sidste ende blive mulige

Anna Grassellino

Et af de grundlæggende problemer, der optager SQMS-forskere, er kvantekohærens – eller hvordan man kan bevare levetiden for skrøbelige kvantetilstande så længe som muligt (sekunder frem for millisekunder eller mikrosekunder). "Ved at bruge superledere, der er afkølet til kryogene temperaturer," siger Grassellino, "skaber vi miljøer, hvor mikrobølgefotoner kan have lang levetid og beskytte mod eksterne forstyrrelser. Disse forhold gør det muligt at generere kvantetilstande, manipulere dem og udlæse dem. Med disse meget kohærente superledende qubits vil mere komplekse kvanteberegningsoperationer i sidste ende blive mulige."

Mens Grassellino stadig arbejder tæt sammen med videnskabsmænd og ingeniører i frontlinjen – og fører tilsyn med arbejdet i laboratoriet – bliver hendes tidsplan i stigende grad allokeret i andre retninger – engagerer sig for eksempel med finansieringsbureauer og forskningspartnere, mens hun sikrer, at SQMS R&D-projekter forbliver på rette spor i forhold til DOE-milepæle og leverancer. "Det, jeg virkelig nyder, er, at der ikke er nogen typisk dag som SQMS-direktør," siger hun. "Hver dag er anderledes."

Opskalering af faciliteterne

I løbet af de første tre år med SQMS var den operationelle prioritet for Grassellino og hendes ledelsesteam klar: at opskalere kvante-F&U-infrastrukturen i Fermilab. Den såkaldte "Quantum Garage" - et omkring 560 kvadratmeter stort SQMS-laboratorium, der formelt blev lanceret i begyndelsen af ​​november 2023 - er et eksempel på dette. På ét niveau er Quantum Garage en øvelse i kapacitetsopbygning, med en flåde på seks ekstra fortyndingskøleskabe (tidligere var der kun to) nu online og leverer kryogen køling til at understøtte SQMS eksperimentelle programmer og test, måling og karakterisering af superledende enheder og delsystemer.

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg" data-caption="Under et tag 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://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg”>

Quantum Garage handler dog om meget mere end eksperimentel kapacitet og forskningsgennemstrømning. "Den nye facilitet har gjort det muligt for os at lancere en række unikke kvante-F&U-testsenge," bemærker Grassellino. "Disse testbed-aktiviteter omfatter granulære undersøgelser af superledende qubits og kvantecomputerprocessorer samt udviklingen af ​​højkohærens kvantesensorer til at understøtte Fermilabs grundlæggende fysikprogram - søgning efter partikler ud over standardmodellen, for eksempel, såvel som mørkt stof-kandidater. og gravitationsbølger."

Sammen med et andet koordinat leverer Quantum Garage infrastrukturen og personalet til såkaldte "round robins" - i det væsentlige udvekslingen af ​​kvantematerialer, -enheder og undersystemer mellem R&D-partnere i SQMS-netværket for at sikre vedtagelsen af ​​standardiserede test- og måleprotokoller og kvalitet -forsikringskæder. "Vores kolleger på standardlaboratorier som US National Institute for Standards and Technology (NIST) og National Physical Laboratory (NPL) i Storbritannien er afgørende for succesen med denne arbejdspakke," bemærker Grassellino.

Et relateret initiativ - National Nanofabrication Taskforce - har til formål at forbedre og standardisere SQMS-indsatsen inden for nanomaterialebehandling. Inden for taskforcen arbejder fire SQMS-partnere – Fermilab, NIST, Northwestern University og Rigetti Computing – sammen om et kontinuerligt forbedringsprogram til fremstilling på enhedsniveau.

"Dette er et virkelig produktivt, hånd-i-hånd-samarbejde," bemærker Grassellino. "Vi har fået SQMS-forskere og ingeniører til at besøge hinandens renrumsfaciliteter, udveksle materialer 'opskrifter' og specialistviden undervejs."

Desuden har taskforcen allerede registreret succes ved reproducerbart at øge kohærenstider for superledende qubits (mere end en faktor to) på tværs af tre af stederne – Fermilab, Rigetti og NIST. Nøglen her er en SQMS-banebrydende overfladeindkapslingsteknik, der forhindrer dannelsen af ​​overfladedielektriske stoffer (som er yderst skadelige for qubit-ydelse).

Kvanteuddannelse og træning

Quantum Garage er også midtpunktet for SQMS-bestræbelser på at skalere den specialiserede kvantearbejdsstyrke. Tilbage i august 2023, for eksempel, tilbragte næsten 150 delegerede fra 70 organisationer 10 dage på Fermilab, hvor de gik på den første amerikanske Quantum Information Science (USQIS) skole. Målet med skolen, som afholdes årligt, er at udvikle den næste generation af kvanteforskere, ingeniører og teknikere ved at dele teoretisk viden og eksperimentelle færdigheder gennem en blanding af forelæsninger, laboratorietid, paneldiskussioner og postersessioner.

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg" data-caption="Tilbage til skolen 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://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg”>

Deltagerne i den indledende skole kom med en bred vifte af erfaring og baggrunde, herunder bachelor- og kandidatstuderende, undervisere samt videnskabeligt og teknisk personale fra føderale laboratorier og industri. Mens skolen var organiseret og hostet af SQMS, var forelæsningerne og træningen i høj grad en kollektiv indsats, der involverede tæt på 50 ekspertinstruktører fra alle fem DOE Office of Science kvanteforskningscentre. (I samme ånd går stafetten til 2024-skolen nu videre til Quantum Science Center ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee.)

QUANT-NETs testbed-innovationer: genskabelse af kvantenetværket

"Med USQIS-skolen tilbyder vi et kvanteuddannelsesprogram, der giver deltagerne en interaktiv, praktisk læringsoplevelse - som i øjeblikket er uden for rækkevidde for mange interesserede i det hastigt voksende felt," bemærker Grassellino. Især udsætter skolen deltagerne for sofistikerede muliggørende teknologier – herunder qubit-kontrolsystemer, højkapacitets-fortyndingskøleskabe og renrum til nanofabrikation – hvoraf ingen rutinemæssigt findes i et typisk universitetsmiljø. "Det er denne blanding af dyb ekspertise og banebrydende infrastruktur, der gør National Laboratories til den ideelle kanal for denne form for specialistuddannelse og udvikling," tilføjer Grassellino.

Med opmuntrende fremskridt synligt langs flere SQMS-fronter, retter Grassellino allerede sin opmærksomhed mod den næste femårige finansieringscyklus for DOE's kvanteinformationsvidenskabelige initiativ. DOE's foreslåede fornyelse - i øjeblikket under revision i Kongressen - ville se SQMS-finansiering potentielt øget for 2025-30-cyklussen.

"SQMS er allerede en succes," slutter Grassellino. ”For tre år siden havde vi et tomt anlæg; nu har vi en fuldt udstyret Quantum Garage. Samtidig har vi skabt et internationalt samarbejde af førende eksperter, oplært mere end 500 studerende og postdocs inden for mange områder inden for kvantevidenskab og ingeniørvidenskab, samtidig med at vi fastholder vores laserfokus på kernemissionen: at øge sammenhængen mellem superledende qubits i en systematisk måde." 

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/