Το Κέντρο SQMS της Fermilab αντιμετωπίζει όλες τις πτυχές του «κβαντικού παζλ» - 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="Ανοιχτός για δουλειές Η διευθύντρια του SQMS Anna Grassellino απευθύνεται στους αντιπροσώπους στην τελετή κοπής κορδέλας για το Quantum Garage του Fermilab τον Νοέμβριο του 2023. Το εργαστήριο 560 τετραγωνικών μέτρων παρέχει ειδικές εγκαταστάσεις για την υποστήριξη προγραμμάτων SQMS στον κβαντικό υπολογισμό και την κβαντική ανίχνευση. (Ευγενική προσφορά: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Η Anna Grassellino είναι μια βιαστική φυσική. Ως επικεφαλής ενός προγράμματος κβαντικής επιστήμης 125 εκατομμυρίων δολαρίων, η αποστολή της είναι να εφαρμόσει έναν οδικό χάρτη Ε&Α που θα μπορούσε να αξίζει δισεκατομμύρια δολάρια για την τεχνολογική βιομηχανία των ΗΠΑ μέσω της ανάπτυξης υπεραγώγιμων υλικών και συσκευών για κβαντικούς υπολογιστές επόμενης γενιάς.

Ειδικός στην υπεραγωγιμότητα ραδιοσυχνοτήτων, ο Grassellino είναι διευθυντής του Κέντρου Υπεραγώγιμων Κβαντικών Υλικών και Συστημάτων (SQMS) στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi, την κατεξοχήν εγκατάσταση σωματιδιακής φυσικής των ΗΠΑ στα περίχωρα του Σικάγο του Ιλινόις. Με χρηματοδότηση ύψους 25 εκατομμυρίων δολαρίων ετησίως μέσω του αρχικού του πενταετούς προγράμματος (2020–25), το SQMS είναι ένα από τα πέντε αποκλειστικά ερευνητικά κέντρα που επικεντρώνονται στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας εντός του Εθνικού Εργαστηρίου του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (ΔΟΕ) (βλ. DOE Office of Science: betting big on quantum», παρακάτω).

Το τελικό παιχνίδι DOE και SQMS: ανάπτυξη και ανάπτυξη πρακτικών κβαντικών υπολογιστών και κβαντικών αισθητήρων με δυνατότητα επιστημονικής, βιομηχανικής και εμπορικής υιοθέτησης σε κλίμακα.

Δίνοντας προτεραιότητα στη συνεργασία

Προς αυτόν τον στόχο, το SQMS συγκεντρώνει μια διεπιστημονική συνεργασία περισσότερων από 500 επιστημόνων και μηχανικών από 30 συνεργαζόμενα ιδρύματα –εθνικά εργαστήρια, πανεπιστήμια και επιχειρήσεις στις ΗΠΑ και πέραν αυτού– για να αντιμετωπίσει «όλα τα κομμάτια του κβαντικού παζλ», σύμφωνα με τον Grassellino. Σκεφτείτε την εφαρμοσμένη και θεωρητική υπεραγωγιμότητα, την υπολογιστική επιστήμη, τη φυσική υψηλής ενέργειας και συμπυκνωμένης ύλης, την κρυογονική, τις συσκευές μικροκυμάτων και τη μηχανική ελέγχου – με όλη αυτή τη συλλογική προσπάθεια ευθυγραμμισμένη ακριβώς προς τη μετάφραση και την εφαρμογή της κβαντικής επιστήμης και τεχνολογίας.

Με αυτά τα εξαιρετικά συνεκτικά qubits, θα καταστούν τελικά δυνατές πιο πολύπλοκες λειτουργίες κβαντικού υπολογισμού

Άννα Γκρασελίνο

Ένα από τα θεμελιώδη προβλήματα που απασχολούν τους ερευνητές του SQMS είναι η κβαντική συνοχή - ή πώς να διατηρηθεί η διάρκεια ζωής των εύθραυστων κβαντικών καταστάσεων για όσο το δυνατόν περισσότερο (δευτερόλεπτα αντί για χιλιοστά του δευτερολέπτου ή μικροδευτερόλεπτα). «Με τη χρήση υπεραγωγών που ψύχονται σε κρυογονικές θερμοκρασίες», λέει ο Grassellino, «δημιουργούμε περιβάλλοντα όπου τα φωτόνια μικροκυμάτων μπορούν να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και προστασία από εξωτερικές διαταραχές. Αυτές οι συνθήκες καθιστούν δυνατή τη δημιουργία κβαντικών καταστάσεων, τον χειρισμό τους και την ανάγνωσή τους. Με αυτά τα εξαιρετικά συνεκτικά υπεραγώγιμα qubits, θα καταστούν τελικά δυνατές πιο πολύπλοκες λειτουργίες κβαντικών υπολογιστών».

Ενώ η Grassellino εξακολουθεί να συνεργάζεται στενά με επιστήμονες και μηχανικούς πρώτης γραμμής – επιβλέποντας τις εργασίες στο εργαστήριο – το πρόγραμμά της κατανέμεται όλο και περισσότερο σε άλλες κατευθύνσεις – συνεργαζόμενος με φορείς χρηματοδότησης και ερευνητικούς εταίρους, για παράδειγμα, διασφαλίζοντας παράλληλα ότι τα έργα Ε&Α SQMS παραμένουν σε καλό δρόμο έναντι των ορόσημων του DOE και παραδοτέα. «Αυτό που απολαμβάνω πραγματικά είναι ότι δεν υπάρχει τυπική μέρα ως διευθύντρια SQMS», λέει. «Κάθε μέρα είναι διαφορετική».

Κλιμάκωση των εγκαταστάσεων

Κατά τη διάρκεια των πρώτων τριών ετών του SQMS, η επιχειρησιακή προτεραιότητα για την Grassellino και την ομάδα διαχείρισης της ήταν σαφής: η κλιμάκωση της κβαντικής υποδομής Ε&Α εντός της Fermilab. Το λεγόμενο «Quantum Garage» – ένα εργαστήριο SQMS περίπου 560 τετραγωνικών μέτρων που ξεκίνησε επίσημα στις αρχές Νοεμβρίου 2023 – είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα. Σε ένα επίπεδο, το Quantum Garage είναι μια άσκηση για τη δημιουργία χωρητικότητας, με έναν στόλο έξι επιπλέον ψυγείων αραίωσης (προηγουμένως υπήρχαν μόνο δύο) που είναι τώρα online και παρέχουν κρυογονική ψύξη για υποστήριξη πειραματικών προγραμμάτων SQMS και δοκιμή, μέτρηση και χαρακτηρισμό υπεραγώγιμων συσκευών και υποσυστήματα.

<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="Κάτω από μια στέγη Οι επιστήμονες του SQMS έχουν δημιουργήσει μια σειρά δοκιμών Ε&Α στο Quantum Garage για να υποστηρίξουν μελέτες υπεραγώγιμων qubits, επεξεργαστών κβαντικών υπολογιστών και κβαντικών αισθητήρων για το θεμελιώδες πρόγραμμα φυσικής της Fermilab. (Ευγενική προσφορά: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Κάντε κλικ για να ανοίξετε την εικόνα στο αναδυόμενο παράθυρο” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg”>

Ωστόσο, το Quantum Garage είναι κάτι πολύ περισσότερο από πειραματική χωρητικότητα και ερευνητική απόδοση. «Η νέα εγκατάσταση μας επέτρεψε να λανσάρουμε μια σειρά από μοναδικές κβαντικές κλίνες δοκιμών Ε&Α», σημειώνει ο Grassellino. «Αυτές οι δραστηριότητες της βάσης δοκιμών περιλαμβάνουν λεπτομερείς μελέτες υπεραγώγιμων qubits και επεξεργαστών κβαντικών υπολογιστών, καθώς και την ανάπτυξη κβαντικών αισθητήρων υψηλής συνοχής για την υποστήριξη του θεμελιώδους προγράμματος φυσικής της Fermilab – αναζήτηση σωματιδίων πέρα ​​από το Καθιερωμένο μοντέλο, για παράδειγμα, καθώς και υποψηφίων για σκοτεινή ύλη. και βαρυτικά κύματα».

Μαζί με μια άλλη συντεταγμένη, το Quantum Garage παρέχει την υποδομή και το προσωπικό για τα λεγόμενα "round robins" - ουσιαστικά την ανταλλαγή κβαντικών υλικών, συσκευών και υποσυστημάτων μεταξύ εταίρων Ε&Α στο δίκτυο SQMS για να διασφαλιστεί η υιοθέτηση τυποποιημένων πρωτοκόλλων δοκιμών και μετρήσεων και ποιότητας -αλυσίδες διασφάλισης. «Οι συνάδελφοί μας σε εργαστήρια προτύπων όπως το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) και το Εθνικό Φυσικό Εργαστήριο (NPL) στο Ηνωμένο Βασίλειο είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχία αυτού του πακέτου εργασίας», σημειώνει ο Grassellino.

Μια σχετική πρωτοβουλία - η Εθνική Ομάδα Νανοκατασκευής - στοχεύει να ενισχύσει και να τυποποιήσει την προσπάθεια SQMS στην επεξεργασία νανοϋλικών. Στο πλαίσιο της ομάδας εργασίας, τέσσερις εταίροι SQMS – Fermilab, NIST, Northwestern University και Rigetti Computing – εργάζονται μαζί σε ένα πρόγραμμα συνεχούς βελτίωσης για την κατασκευή σε επίπεδο συσκευής.

«Πρόκειται για μια πραγματικά παραγωγική, χέρι-χέρι συνεργασία», σημειώνει ο Grassellino. «Έχουμε ερευνητές και μηχανικούς SQMS που επισκέπτονται ο ένας τις εγκαταστάσεις καθαρού δωματίου του άλλου, ανταλλάσσοντας «συνταγές» υλικών και εξειδικευμένη τεχνογνωσία στην πορεία».

Επιπλέον, η ομάδα εργασίας έχει ήδη σημειώσει επιτυχία αυξάνοντας αναπαραγώγιμα τους χρόνους συνοχής των υπεραγώγιμων qubits (πάνω από έναν παράγοντα δύο) σε τρεις από τις τοποθεσίες – Fermilab, Rigetti και NIST. Το κλειδί εδώ είναι μια πρωτοποριακή από το SQMS τεχνική ενθυλάκωσης επιφάνειας που αποτρέπει το σχηματισμό επιφανειακών διηλεκτρικών (τα οποία είναι εξαιρετικά επιζήμια για την απόδοση του qubit).

Κβαντική εκπαίδευση και κατάρτιση

Το Quantum Garage είναι επίσης το επίκεντρο των προσπαθειών SQMS για την κλιμάκωση του εξειδικευμένου κβαντικού εργατικού δυναμικού. Τον Αύγουστο του 2023, για παράδειγμα, σχεδόν 150 εκπρόσωποι, προερχόμενοι από 70 οργανισμούς, πέρασαν 10 ημέρες στο Fermilab παρακολουθώντας το πρώτο Σχολείο Κβαντικής Πληροφορικής των ΗΠΑ (USQIS). Στόχος του σχολείου, το οποίο θα διεξάγεται κάθε χρόνο, είναι να αναπτύξει την επόμενη γενιά κβαντικών επιστημόνων, μηχανικών και τεχνικών μοιράζοντας θεωρητικές γνώσεις και πειραματικές δεξιότητες μέσω ενός συνδυασμού διαλέξεων, εργαστηριακού χρόνου, συζητήσεων σε πάνελ και συνεδριών αφίσας.

<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="Επιστροφή στο σχολείο Τον Αύγουστο του 2023, το Quantum Garage φιλοξένησε σχεδόν 150 αντιπροσώπους που παρακολουθούσαν το πρώτο Σχολείο Κβαντικής Πληροφορικής των ΗΠΑ (USQIS). (Ευγενική προσφορά: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Κάντε κλικ για να ανοίξετε την εικόνα στο αναδυόμενο παράθυρο” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg”>

Οι συμμετέχοντες στο εναρκτήριο σχολείο ήρθαν με ένα ευρύ φάσμα εμπειρίας και υπόβαθρου, συμπεριλαμβανομένων προπτυχιακών και μεταπτυχιακών φοιτητών, εκπαιδευτικών, καθώς και επιστημονικού και τεχνικού προσωπικού από ομοσπονδιακά εργαστήρια και βιομηχανία. Ενώ το σχολείο οργανώθηκε και φιλοξενήθηκε από το SQMS, οι διαλέξεις και η εκπαίδευση ήταν σε μεγάλο βαθμό μια συλλογική προσπάθεια, με τη συμμετοχή σχεδόν 50 ειδικών εκπαιδευτών και από τα πέντε κβαντικά ερευνητικά κέντρα του DOE Office of Science. (Με το ίδιο πνεύμα, η σκυτάλη για το σχολείο του 2024 περνά τώρα στο Quantum Science Center στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί.)

Οι καινοτομίες της κλίνης δοκιμών του QUANT-NET: επανασχεδιασμός του κβαντικού δικτύου

«Με το σχολείο USQIS, προσφέρουμε ένα πρόγραμμα κβαντικής εκπαίδευσης που προσφέρει στους συμμετέχοντες μια διαδραστική, πρακτική εμπειρία μάθησης – η οποία είναι απρόσιτη για πολλούς που ενδιαφέρονται για τον ταχέως αναπτυσσόμενο τομέα», σημειώνει ο Grassellino. Ειδικότερα, το σχολείο εκθέτει τους συμμετέχοντες σε εξελιγμένες τεχνολογίες ενεργοποίησης – συμπεριλαμβανομένων συστημάτων ελέγχου qubit, ψυγείων αραίωσης υψηλής χωρητικότητας και καθαρών αιθουσών νανοκατασκευής – καμία από τις οποίες δεν βρίσκεται συνήθως σε ένα τυπικό πανεπιστημιακό περιβάλλον. «Είναι αυτός ο συνδυασμός βαθιάς τεχνογνωσίας και υποδομής αιχμής που κάνει τα Εθνικά Εργαστήρια το ιδανικό κανάλι για αυτού του είδους την εξειδικευμένη εκπαίδευση και ανάπτυξη», προσθέτει ο Grassellino.

Με την ενθαρρυντική πρόοδο που είναι εμφανής σε πολλαπλά μέτωπα SQMS, η Grassellino στρέφει ήδη την προσοχή της στον επόμενο πενταετή κύκλο χρηματοδότησης για την πρωτοβουλία κβαντικής επιστήμης της πληροφορίας του DOE. Η προτεινόμενη ανανέωση του DOE - αυτή τη στιγμή υπό εξέταση στο Κογκρέσο - θα έβλεπε δυνητικά να ενισχυθεί η χρηματοδότηση του SQMS για τον κύκλο 2025-30.

«Το SQMS είναι ήδη επιτυχία», καταλήγει ο Grassellino. «Πριν από τρία χρόνια, είχαμε μια άδεια εγκατάσταση. τώρα έχουμε ένα πλήρως εξοπλισμένο Quantum Garage. Ταυτόχρονα, δημιουργήσαμε μια διεθνή συνεργασία κορυφαίων ειδικών, εκπαιδεύσαμε περισσότερους από 500 φοιτητές και μεταδιδάκτορες σε πολλούς τομείς της κβαντικής επιστήμης και μηχανικής, διατηρώντας παράλληλα την εστίασή μας στο λέιζερ στην βασική αποστολή: αύξηση της συνοχής των υπεραγώγιμων qubits σε ένα συστηματικό τρόπο». 

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/