Le centre SQMS du Laboratoire Fermi aborde tous les aspects du « puzzle quantique » – 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="Ouvert pour les affaires La directrice de SQMS, Anna Grassellino, s'adresse aux délégués lors de la cérémonie d'inauguration du garage quantique du Laboratoire Fermi en novembre 2023. Le laboratoire de 560 mètres carrés offre des installations dédiées pour prendre en charge les programmes SQMS en informatique quantique et en détection quantique. (Autorisation : Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab) »>

Anna Grassellino est une physicienne pressée. En tant que leader d'un programme de science quantique de 125 millions de dollars, sa mission est de mettre en œuvre une feuille de route de R&D qui pourrait valoir des milliards de dollars pour l'industrie technologique américaine via le développement de matériaux et de dispositifs supraconducteurs pour les ordinateurs quantiques de nouvelle génération.

Spécialiste de la supraconductivité RF, Grassellino est directeur du Centre des matériaux et systèmes quantiques supraconducteurs (SQMS) du Fermi National Accelerator Laboratory, le principal centre américain de physique des particules situé dans la banlieue de Chicago, dans l'Illinois. Financé à hauteur de 25 millions de dollars par an dans le cadre de son programme initial quinquennal (2020-25), SQMS est l'un des cinq centres de recherche dédiés à la science de l'information quantique au sein du système de laboratoire national du département américain de l'Énergie (DOE) (voir « Le Bureau scientifique du DOE : parier gros sur le quantum », ci-dessous).

L’objectif final du DOE et du SQMS : développer et déployer des ordinateurs quantiques et des capteurs quantiques pratiques avec un potentiel d’adoption scientifique, industrielle et commerciale à grande échelle.

Donner la priorité à la collaboration

Pour atteindre cet objectif, SQMS rassemble une collaboration multidisciplinaire de plus de 500 scientifiques et ingénieurs de 30 institutions partenaires – laboratoires nationaux, universités et entreprises aux États-Unis et au-delà – pour aborder « toutes les pièces du puzzle quantique », selon Grassellino. Pensez à la supraconductivité appliquée et théorique, à la science informatique, à la physique des hautes énergies et de la matière condensée, à la cryogénie, aux dispositifs à micro-ondes et à l’ingénierie de contrôle – avec tout cet effort collectif résolument orienté vers la traduction et l’application de la science et de la technologie quantiques.

Grâce à ces qubits hautement cohérents, des opérations informatiques quantiques plus complexes deviendront à terme possibles

Anna Grassellino

L’un des problèmes fondamentaux qui préoccupent les chercheurs de SQMS est la cohérence quantique – ou comment préserver la durée de vie des états quantiques fragiles le plus longtemps possible (en secondes plutôt qu’en millisecondes ou microsecondes). "En utilisant des supraconducteurs refroidis à des températures cryogéniques", explique Grassellino, "nous créons des environnements dans lesquels les photons micro-ondes peuvent avoir une longue durée de vie et être protégés des perturbations externes. Ces conditions permettent de générer des états quantiques, de les manipuler et de les lire. Grâce à ces qubits supraconducteurs hautement cohérents, des opérations informatiques quantiques plus complexes deviendront à terme possibles.

Même si Grassellino travaille toujours en étroite collaboration avec des scientifiques et des ingénieurs de première ligne – supervisant le travail en laboratoire – son emploi du temps est de plus en plus alloué à d'autres directions – en s'engageant avec des agences de financement et des partenaires de recherche, par exemple, tout en s'assurant que les projets de R&D SQMS restent sur la bonne voie par rapport aux jalons du DOE. et les livrables. « Ce que j’apprécie vraiment, c’est qu’il n’y a pas de journée type en tant que directrice SQMS », dit-elle. "Chaque jour est différent."

Agrandissement des installations

Au cours des trois premières années de SQMS, la priorité opérationnelle de Grassellino et de son équipe de direction était claire : développer l'infrastructure de R&D quantique au sein du Laboratoire Fermi. Le soi-disant « Quantum Garage » – un laboratoire SQMS d’environ 560 mètres carrés officiellement lancé début novembre 2023 – en est un bon exemple. D'une part, le Quantum Garage est un exercice de renforcement des capacités, avec une flotte de six réfrigérateurs à dilution supplémentaires (auparavant il n'y en avait que deux) désormais en ligne et fournissant un refroidissement cryogénique pour soutenir les programmes expérimentaux SQMS et les tests, mesures et caractérisations des dispositifs supraconducteurs. et sous-systèmes.

<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="Sous un toit Les scientifiques de SQMS ont établi une série de bancs d'essai de R&D dans le Quantum Garage pour soutenir les études sur les qubits supraconducteurs, les processeurs informatiques quantiques et les capteurs quantiques pour le programme de physique fondamentale du Laboratoire Fermi. (Autorisation : Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab) » title = « Cliquez pour ouvrir l'image dans une fenêtre contextuelle » href = « https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqls-center-addresses -tous-les-aspects-du-puzzle-quantique-physique-monde-1.jpg”>

Cependant, le Quantum Garage va bien au-delà de la capacité expérimentale et du rendement de la recherche. «La nouvelle installation nous a permis de lancer une série de bancs d'essai uniques en R&D quantique», note Grassellino. « Ces activités de banc d'essai comprennent des études granulaires de qubits supraconducteurs et de processeurs informatiques quantiques ainsi que le développement de capteurs quantiques à haute cohérence pour soutenir le programme de physique fondamentale du Laboratoire Fermi – recherche de particules au-delà du modèle standard, par exemple, ainsi que de candidats à la matière noire. et les ondes gravitationnelles.

Parallèlement, le Quantum Garage fournit l'infrastructure et le personnel pour ce que l'on appelle les « round robins » – essentiellement l'échange de matériaux, dispositifs et sous-systèmes quantiques entre les partenaires de R&D du réseau SQMS pour garantir l'adoption de protocoles de test et de mesure standardisés et de qualité. -les chaînes d'assurance. "Nos collègues des laboratoires de normalisation comme le National Institute for Standards and Technology (NIST) des États-Unis et le National Physical Laboratory (NPL) au Royaume-Uni jouent un rôle crucial dans le succès de ce projet", note Grassellino.

Une initiative connexe – le Groupe de travail national sur la nanofabrication – vise à améliorer et à standardiser les efforts SQMS dans le traitement des nanomatériaux. Au sein du groupe de travail, quatre partenaires SQMS – Fermilab, NIST, Northwestern University et Rigetti Computing – travaillent ensemble sur un programme d'amélioration continue de la fabrication au niveau des appareils.

« Il s'agit d'une collaboration main dans la main vraiment productive », note Grassellino. « Nous avons des chercheurs et des ingénieurs de SQMS qui se rendent mutuellement visite dans nos salles blanches, échangeant des « recettes » de matériaux et leur savoir-faire spécialisé tout au long du processus. »

De plus, le groupe de travail a déjà enregistré du succès en augmentant de manière reproductible les temps de cohérence des qubits supraconducteurs (plus d'un facteur deux) sur trois des sites : Fermilab, Rigetti et NIST. La clé ici est une technique d'encapsulation de surface inaugurée par SQMS qui empêche la formation de diélectriques de surface (qui sont très préjudiciables aux performances des qubits).

Éducation et formation quantiques

Le Quantum Garage est également la pièce maîtresse des efforts de SQMS visant à faire évoluer la main-d'œuvre spécialisée dans le domaine quantique. En août 2023, par exemple, près de 150 délégués, issus de 70 organisations, ont passé 10 jours au Fermilab pour fréquenter la première école américaine de science de l'information quantique (USQIS). L'objectif de l'école, qui aura lieu chaque année, est de développer la prochaine génération de scientifiques, d'ingénieurs et de techniciens quantiques en partageant des connaissances théoriques et des compétences expérimentales à travers une combinaison de conférences, de temps en laboratoire, de tables rondes et de séances d'affiches.

<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="Retour à l'école En août 2023, le Quantum Garage a accueilli près de 150 délégués participant à la première école américaine des sciences de l'information quantique (USQIS). (Autorisation : Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab) » title = « Cliquez pour ouvrir l'image dans une fenêtre contextuelle » href = « https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqls-center-addresses -tous-les-aspects-du-puzzle-quantique-physique-monde-2.jpg”>

Les participants à l'école inaugurale venaient d'un large éventail d'expériences et de parcours, notamment des étudiants du premier cycle et des cycles supérieurs, des éducateurs, ainsi que du personnel scientifique et technique des laboratoires fédéraux et de l'industrie. Bien que l'école ait été organisée et hébergée par SQMS, les conférences et la formation étaient en grande partie un effort collectif, impliquant près de 50 instructeurs experts des cinq centres de recherche quantique du DOE Office of Science. (Dans le même esprit, le relais de l’école 2024 passe désormais au Quantum Science Center du Oak Ridge National Laboratory, dans le Tennessee.)

Innovations du banc d'essai de QUANT-NET : réinventer le réseau quantique

« Avec l’école USQIS, nous proposons un programme d’éducation quantique qui offre aux participants une expérience d’apprentissage interactive et pratique – une expérience actuellement hors de portée pour de nombreuses personnes intéressées par ce domaine en pleine expansion », note Grassellino. En particulier, l’école expose les étudiants à des technologies sophistiquées – notamment des systèmes de contrôle de qubits, des réfrigérateurs à dilution de grande capacité et des salles blanches de nanofabrication – dont aucune n’est couramment trouvée dans un cadre universitaire typique. "C'est ce mélange d'expertise approfondie et d'infrastructures de pointe qui fait des Laboratoires nationaux le canal idéal pour ce type de formation et de développement spécialisé", ajoute Grassellino.

Avec des progrès encourageants évidents sur plusieurs fronts SQMS, Grassellino se tourne déjà vers le prochain cycle de financement quinquennal de l’initiative de science de l’information quantique du DOE. Le renouvellement proposé par le DOE – actuellement en cours d’examen au Congrès – verrait le financement du SQMS potentiellement augmenté pour le cycle 2025-30.

« SQMS est déjà un succès », conclut Grassellino. « Il y a trois ans, nous avions une installation vide ; nous disposons désormais d'un garage Quantum entièrement équipé. Dans le même temps, nous avons créé une collaboration internationale d'experts de premier plan, formé plus de 500 étudiants et postdoctorants dans de nombreux domaines de la science et de l'ingénierie quantiques, tout en maintenant notre concentration sur notre mission principale : accroître la cohérence des qubits supraconducteurs dans un de manière systématique. » 

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• La source: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/