A Fermilab SQMS központja a „kvantumrejtvény” – a fizika világának – minden aspektusával foglalkozik

<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="Nyitott az üzletre Anna Grassellino, az SQMS igazgatója beszédet mond a küldöttekhez a Fermilab Quantum Garage szalagavató ünnepségén 2023 novemberében. Az 560 négyzetméteres laboratórium dedikált létesítményekkel támogatja az SQMS programokat a kvantumszámítás és a kvantumérzékelés területén. (Jóvolt: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino sietős fizikus. Egy 125 millió dolláros kvantumtudományi program vezetőjeként feladata egy olyan kutatási és fejlesztési ütemterv megvalósítása, amely dollármilliárdokat érhet el az amerikai technológiai ipar számára szupravezető anyagok és eszközök fejlesztése révén a következő generációs kvantumszámítógépekhez.

A rádiófrekvenciás szupravezetés specialistája, Grasselino a Fermi National Accelerator Laboratory szupervezető kvantumanyagok és rendszerek (SQMS) központjának igazgatója, amely az Egyesült Államok kiemelkedő részecskefizikai létesítménye az Illinois állambeli Chicago külvárosában. Az SQMS a kezdeti ötéves programja (25–2020) révén évi 25 millió dollár értékben finanszírozott. Az SQMS egyike annak az öt dedikált kutatóközpontnak, amelyek a kvantuminformáció-tudományra összpontosítanak az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Nemzeti Laboratóriumának rendszerén belül. DOE Office of Science: nagy fogadás a kvantumra”, lent).

A DOE és az SQMS végjátéka: gyakorlati kvantumszámítógépek és kvantumérzékelők fejlesztése és üzembe helyezése, amelyek nagyszabású tudományos, ipari és kereskedelmi alkalmazást tesznek lehetővé.

Az együttműködés prioritása

E cél elérése érdekében az SQMS több mint 500 tudós és mérnök multidiszciplináris együttműködését egyesíti 30 partnerintézményből – nemzeti laboratóriumokból, egyetemekről és vállalkozásokról az Egyesült Államokban és azon túl – Grassellino szerint „a kvantumrejtvény minden részletére”. Gondoljon az alkalmazott és elméleti szupravezetésre, a számítástudományra, a nagyenergiájú és kondenzált anyag fizikára, a kriogenikára, a mikrohullámú készülékekre és a vezérléstechnikára – mindezt a kollektív erőfeszítést egyenesen a kvantumtudomány és -technológia fordításához és alkalmazásához igazítva.

Ezekkel a rendkívül koherens qubitekkel végül bonyolultabb kvantumszámítási műveletek válnak lehetővé

Anna Grassellino

Az egyik alapvető probléma, amely az SQMS-kutatókat foglalkoztatja, a kvantumkoherencia – vagy a törékeny kvantumállapotok élettartamának megőrzése a lehető leghosszabb ideig (mikromásodpercek helyett másodpercek). „A kriogén hőmérsékletre hűtött szupravezetők használatával olyan környezetet hozunk létre, ahol a mikrohullámú fotonok hosszú élettartamúak és védelmet nyújtanak a külső zavarokkal szemben. Ezek a feltételek lehetővé teszik kvantumállapotok generálását, manipulálását és kiolvasását. Ezekkel a rendkívül koherens szupravezető qubitekkel végül bonyolultabb kvantumszámítási műveletek válnak lehetővé.”

Míg Grasselino továbbra is szorosan együttműködik a vezető tudósokkal és mérnökökkel – felügyeli a laborban végzett munkát –, ütemtervét egyre inkább más irányokba osztják – például finanszírozó ügynökségekkel és kutatópartnerekkel, miközben biztosítja, hogy az SQMS K+F projektjei a DOE mérföldköveivel szemben a megfelelő úton haladjanak. és szállítmányok. „Amit igazán élvezek, az az, hogy nincs tipikus nap SQMS igazgatóként” – mondja. – Minden nap más.

A létesítmények bővítése

Az SQMS első három évében Grassellino és vezetői csapata működési prioritása egyértelmű volt: a kvantum kutatás-fejlesztési infrastruktúra bővítése a Fermilabon belül. Jó példa erre az úgynevezett „Quantum Garage” – egy nagyjából 560 négyzetméteres SQMS laboratórium, amely hivatalosan 2023. november elején indult. Az egyik szinten a Quantum Garage egy kapacitásnövelő gyakorlat, hat további hígítóhűtővel (korábban csak kettő volt) most online, és kriogén hűtést biztosít az SQMS kísérleti programok támogatására, valamint a szupravezető eszközök tesztelésére, mérésére és jellemzésére. és alrendszerek.

<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="Egy fedél alatt Az SQMS tudósai egy sor kutatás-fejlesztési tesztágyat hoztak létre a Quantum Garage-ban, hogy támogassák a szupravezető qubitek, kvantumszámítógép-processzorok és kvantumérzékelők tanulmányozását a Fermilab alapvető fizikai programjában. (Jóvolt: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Kattintson a kép megnyitásához felugró ablakban” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-1.jpg”>

A Quantum Garage azonban sokkal többről szól, mint kísérleti kapacitásról és kutatási teljesítményről. „Az új létesítmény lehetővé tette számunkra, hogy egy sor egyedi kvantum kutatás-fejlesztési tesztpadot indítsunk el” – jegyzi meg Grassellino. „Ezek a tesztkörnyezeti tevékenységek magukban foglalják a szupravezető qubitek és kvantumszámítógép-processzorok részletes tanulmányozását, valamint a nagy koherenciájú kvantumérzékelők fejlesztését a Fermilab alapvető fizikai programjának támogatására – például a szabványos modellen túlmutató részecskék, valamint a sötét anyag jelöltek keresése. és a gravitációs hullámok.”

Egy másik koordináta mentén a Quantum Garage biztosítja az infrastruktúrát és a személyzetet az úgynevezett „körök robinokhoz” – lényegében a kvantumanyagok, eszközök és alrendszerek cseréjéhez a K+F partnerek között az SQMS hálózatban a szabványosított vizsgálati és mérési protokollok átvételének és minőségének biztosítása érdekében. -biztosítási láncok. „A szabványlaboratóriumokban, például az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetében (NIST) és az Egyesült Királyságban működő Nemzeti Fizikai Laboratóriumban (NPL) dolgozó kollégáink kulcsfontosságúak ennek a munkacsomagnak a sikeréhez” – jegyzi meg Grassellino.

Egy kapcsolódó kezdeményezés – a Nemzeti Nanogyártási Munkacsoport – célja az SQMS-re irányuló erőfeszítések fokozása és szabványosítása a nanoanyag-feldolgozás terén. A munkacsoporton belül négy SQMS partner – a Fermilab, a NIST, a Northwestern University és a Rigetti Computing – az eszközszintű gyártás folyamatos fejlesztési programján dolgozik együtt.

„Ez egy igazán produktív, kéz a kézben való együttműködés” – jegyzi meg Grassellino. „Az SQMS-kutatók és mérnökeink meglátogatják egymás tisztatermi létesítményeit, és közben anyagi „recepteket” és speciális know-how-t cserélnek.”

Sőt, a munkacsoport már sikereket ért el a szupravezető qubitek koherenciaidejének reprodukálható növelésével (több mint kétszeresére) három helyszínen – a Fermilabban, a Rigettiben és a NIST-ben. A kulcs itt az SQMS úttörő felületi kapszulázási technikája, amely megakadályozza a felületi dielektrikumok képződését (amelyek erősen rontják a qubit teljesítményét).

Kvantumoktatás és képzés

A Quantum Garage az SQMS-re irányuló erőfeszítések központi eleme is a speciális kvantummunkaerő skálázására. 2023 augusztusában például 150 szervezet közel 70 delegáltja töltött 10 napot a Fermilabnál, és részt vett az első USQIS (USA) Quantum Information Science Schoolban. Az évente megrendezésre kerülő iskola célja a kvantumtudósok, mérnökök és technikusok következő generációjának fejlesztése elméleti ismeretek és kísérleti készségek megosztásával előadások, laboridőszakok, panelbeszélgetések és poszterülések keverékén keresztül.

<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="Vissza az iskolába 2023 augusztusában a Quantum Garage közel 150 küldöttet fogadott, akik részt vettek az első amerikai kvantuminformációs tudományi (USQIS) iskolában. (Jóvolt: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Kattintson a kép megnyitásához felugró ablakban” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -all-aspects-of-the-quantum-puzzle-physics-world-2.jpg”>

Az induló iskola résztvevői széles körű tapasztalattal és háttérrel érkeztek, köztük egyetemi és posztgraduális hallgatók, oktatók, valamint a szövetségi laboratóriumok és az ipar tudományos és műszaki személyzete. Míg az iskolát az SQMS szervezte és adott otthon, az előadások és a képzés nagymértékben közös erőfeszítés volt, közel 50 szakértő oktató bevonásával, mind az öt DOE Office of Science kvantumkutató központjából. (Ugyanebben a szellemben a 2024-es iskola staféta a tennessee-i Oak Ridge National Laboratory-ban található Quantum Science Centerhez kerül.)

A QUANT-NET tesztágyi innovációi: a kvantumhálózat újragondolása

„Az USQIS iskolával olyan kvantumoktatási programot kínálunk, amely interaktív, gyakorlati tanulási élményt nyújt a résztvevőknek – amihez hasonlók jelenleg nem érhetők el a gyorsan bővülő terület iránt érdeklődők számára” – jegyzi meg Grassellino. Az iskola különösen kifinomult technológiának teszi ki a résztvevőket – beleértve a qubit vezérlőrendszereket, a nagy kapacitású hígítóhűtőket és a nanogyártási tisztatereket –, amelyek egyike sem található meg rutinszerűen egy tipikus egyetemi környezetben. „A mélyreható szakértelem és az élvonalbeli infrastruktúra keveréke teszi a National Laboratories-t ideális csatornává az ilyen típusú speciális képzéshez és fejlesztéshez” – teszi hozzá Grasselino.

Az SQMS számos frontján tapasztalható biztató előrelépés miatt Grassellino máris a DOE kvantuminformáció-tudományi kezdeményezésének következő ötéves finanszírozási ciklusára fordítja figyelmét. A DOE javasolt megújítása – amelyet jelenleg a Kongresszus vizsgál – az SQMS finanszírozása potenciálisan megnövekedett a 2025-30-as ciklusban.

„Az SQMS már most sikeres” – összegzi Grassellino. „Három évvel ezelőtt volt egy üres létesítményünk; most van egy teljesen felszerelt Quantum Garage-unk. Ezzel egy időben vezető szakértők nemzetközi együttműködését hoztuk létre, több mint 500 hallgatót és posztdoktort képeztünk ki a kvantumtudomány és a mérnöki tudomány számos területén, miközben fenntartjuk a lézerfókuszunkat az alapvető küldetésre: a szupravezető kvbitek koherenciájának növelésére egy szisztematikus módon.” 

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/