Pusat SQMS Fermilab menangani semua aspek 'teka-teki kuantum' – Dunia Fisika

<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="Terbuka untuk bisnis Direktur SQMS Anna Grassellino berbicara kepada para delegasi pada upacara pemotongan pita di Quantum Garage Fermilab pada November 2023. Laboratorium seluas 560 meter persegi ini menyediakan fasilitas khusus untuk mendukung program SQMS dalam komputasi kuantum dan penginderaan kuantum. (Atas izin: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino adalah seorang fisikawan yang sedang terburu-buru. Sebagai pemimpin program sains kuantum senilai $125 juta, tugasnya adalah menerapkan peta jalan penelitian dan pengembangan yang dapat bernilai miliaran dolar bagi industri teknologi AS melalui pengembangan material dan perangkat superkonduktor untuk komputer kuantum generasi berikutnya.

Seorang spesialis dalam superkonduktivitas RF, Grassellino adalah direktur Pusat Bahan dan Sistem Kuantum Superkonduktor (SQMS) di Laboratorium Akselerator Nasional Fermi, fasilitas fisika partikel terkemuka AS di pinggiran Chicago, Illinois. Didanai sebesar $25 juta per tahun melalui program lima tahun awalnya (2020–25), SQMS adalah salah satu dari lima pusat penelitian khusus yang berfokus pada ilmu informasi kuantum dalam sistem Laboratorium Nasional Departemen Energi AS (DOE) (lihat “The DOE Office of Science: bertaruh besar pada kuantum”, di bawah).

Tujuan akhir DOE dan SQMS: untuk mengembangkan dan menerapkan komputer kuantum praktis dan sensor kuantum dengan potensi adopsi ilmiah, industri, dan komersial dalam skala besar.

Mengutamakan kolaborasi

Untuk mencapai tujuan tersebut, SQMS menyatukan kolaborasi multidisiplin lebih dari 500 ilmuwan dan insinyur dari 30 lembaga mitra – laboratorium nasional, universitas, dan bisnis di AS dan sekitarnya – untuk mengatasi “semua bagian dari teka-teki kuantum”, menurut Grassellino. Pikirkan superkonduktivitas terapan dan teoretis, ilmu komputasi, fisika energi tinggi dan benda terkondensasi, kriogenik, perangkat gelombang mikro, dan teknik kontrol – dengan semua upaya kolektif ini selaras dengan penerjemahan dan penerapan ilmu pengetahuan dan teknologi kuantum.

Dengan qubit yang sangat koheren ini, operasi komputasi kuantum yang lebih kompleks pada akhirnya akan menjadi mungkin dilakukan

Anna Grassellino

Salah satu masalah mendasar yang menyibukkan para peneliti SQMS adalah koherensi kuantum – atau bagaimana mempertahankan masa hidup keadaan kuantum yang rapuh selama mungkin (detik, bukan milidetik atau mikrodetik). “Dengan menggunakan superkonduktor yang didinginkan hingga suhu kriogenik,” kata Grassellino, “kami menciptakan lingkungan di mana foton gelombang mikro dapat memiliki masa pakai yang lama dan terlindung dari gangguan eksternal. Kondisi ini memungkinkan untuk menghasilkan keadaan kuantum, memanipulasinya, dan membacanya. Dengan qubit superkonduktor yang sangat koheren ini, operasi komputasi kuantum yang lebih kompleks pada akhirnya akan menjadi mungkin.”

Meskipun Grassellino masih bekerja erat dengan ilmuwan dan insinyur garis depan – mengawasi pekerjaan di laboratorium – jadwalnya semakin dialokasikan ke bidang lain – misalnya melibatkan lembaga pendanaan dan mitra penelitian, sambil memastikan proyek Litbang SQMS tetap berjalan sesuai rencana dibandingkan pencapaian DOE dan kiriman. “Yang sangat saya nikmati adalah tidak ada hari-hari biasa sebagai direktur SQMS,” katanya. “Setiap hari berbeda.”

Meningkatkan fasilitas

Selama tiga tahun pertama SQMS, prioritas operasional Grassellino dan tim manajemennya jelas: meningkatkan infrastruktur penelitian dan pengembangan kuantum di Fermilab. Apa yang disebut “Quantum Garage” – laboratorium SQMS seluas sekitar 560 meter persegi yang diluncurkan secara resmi pada awal November 2023 – adalah contohnya. Pada satu tingkat, Quantum Garage merupakan upaya peningkatan kapasitas, dengan armada enam lemari es pengenceran tambahan (sebelumnya hanya ada dua) kini online dan menyediakan pendinginan kriogenik untuk mendukung program eksperimental SQMS dan pengujian, pengukuran, dan karakterisasi perangkat superkonduktor dan subsistem.

<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="Dibawah satu atap 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”>

Namun, Quantum Garage lebih dari sekadar kapasitas eksperimental dan hasil penelitian. “Fasilitas baru ini memungkinkan kami meluncurkan serangkaian uji penelitian dan pengembangan kuantum yang unik,” kata Grassellino. “Aktivitas pengujian tersebut mencakup studi granular tentang qubit superkonduktor dan prosesor komputasi kuantum serta pengembangan sensor kuantum koherensi tinggi untuk mendukung program fisika fundamental Fermilab – misalnya mencari partikel di luar Model Standar, serta kandidat materi gelap. dan gelombang gravitasi.”

Di sepanjang koordinat lainnya, Quantum Garage menyediakan infrastruktur dan personel untuk apa yang disebut “round robin” – yang pada dasarnya merupakan pertukaran material, perangkat, dan subsistem kuantum di antara mitra penelitian dan pengembangan di jaringan SQMS untuk memastikan penerapan protokol dan kualitas pengujian dan pengukuran yang terstandarisasi. -rantai jaminan. “Rekan-rekan kami di laboratorium standar seperti Institut Nasional untuk Standar dan Teknologi AS (NIST) dan Laboratorium Fisika Nasional (NPL) di Inggris sangat penting bagi keberhasilan paket pekerjaan ini,” kata Grassellino.

Inisiatif terkait – Satuan Tugas Nanofabrikasi Nasional – bertujuan untuk meningkatkan dan menstandarisasi upaya SQMS dalam pemrosesan bahan nano. Dalam gugus tugas tersebut, empat mitra SQMS – Fermilab, NIST, Northwestern University, dan Rigetti Computing – bekerja sama dalam program peningkatan berkelanjutan untuk fabrikasi tingkat perangkat.

“Ini adalah kolaborasi yang sangat produktif dan saling bahu membahu,” kata Grassellino. “Kami memiliki peneliti dan insinyur SQMS yang saling mengunjungi fasilitas ruang bersih, saling bertukar ‘resep’ material dan pengetahuan khusus selama proses tersebut.”

Terlebih lagi, gugus tugas ini telah mencatat keberhasilan dengan meningkatkan waktu koherensi qubit superkonduktor secara berulang (lebih dari dua kali lipat) di tiga lokasi – Fermilab, Rigetti, dan NIST. Kuncinya di sini adalah teknik enkapsulasi permukaan yang dipelopori SQMS yang mencegah pembentukan dielektrik permukaan (yang sangat merugikan kinerja qubit).

Pendidikan dan pelatihan kuantum

Quantum Garage juga merupakan pusat upaya SQMS untuk meningkatkan tenaga kerja spesialis kuantum. Pada bulan Agustus 2023, misalnya, hampir 150 delegasi, yang berasal dari 70 organisasi, menghabiskan 10 hari di Fermilab untuk menghadiri Sekolah Ilmu Informasi Quantum AS (USQIS) yang pertama. Tujuan dari sekolah ini, yang akan diadakan setiap tahun, adalah untuk mengembangkan generasi ilmuwan, insinyur, dan teknisi kuantum berikutnya dengan berbagi pengetahuan teoretis dan keterampilan eksperimental melalui perpaduan perkuliahan, waktu praktikum, diskusi panel, dan sesi poster.

<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="Kembali ke sekolah 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”>

Peserta sekolah perdana ini datang dengan berbagai pengalaman dan latar belakang, termasuk mahasiswa sarjana dan pascasarjana, pendidik, serta staf ilmiah dan teknis dari laboratorium federal dan industri. Meskipun sekolah ini diselenggarakan dan diselenggarakan oleh SQMS, perkuliahan dan pelatihan merupakan upaya kolektif, yang melibatkan hampir 50 instruktur ahli dari kelima pusat penelitian kuantum DOE Office of Science. (Dengan semangat yang sama, tongkat estafet sekolah tahun 2024 kini diserahkan ke Pusat Sains Quantum di Laboratorium Nasional Oak Ridge di Tennessee.)

Inovasi QUANT-NET yang telah diuji: menata ulang jaringan kuantum

“Dengan sekolah USQIS, kami menawarkan program pendidikan kuantum yang memberikan peserta pengalaman belajar langsung dan interaktif – yang saat ini tidak dapat dijangkau oleh banyak orang yang tertarik pada bidang yang berkembang pesat,” kata Grassellino. Secara khusus, sekolah ini memaparkan para pesertanya pada teknologi canggih yang memungkinkan – termasuk sistem kontrol qubit, lemari es pengenceran berkapasitas tinggi, dan ruang bersih fabrikasi nano – yang tidak ada satupun yang secara rutin ditemukan di lingkungan universitas pada umumnya. “Perpaduan antara keahlian mendalam dan infrastruktur mutakhir inilah yang menjadikan National Laboratories sebagai saluran ideal untuk pelatihan dan pengembangan spesialis semacam ini,” tambah Grassellino.

Dengan kemajuan menggembirakan yang terlihat di berbagai bidang SQMS, Grassellino telah mengalihkan perhatiannya ke siklus pendanaan lima tahun ke depan untuk inisiatif ilmu informasi kuantum DOE. Usulan pembaruan DOE – yang saat ini sedang ditinjau di Kongres – akan melihat potensi peningkatan pendanaan SQMS untuk siklus 2025-30.

“SQMS sudah sukses,” Grassellino menyimpulkan. “Tiga tahun lalu, kami memiliki fasilitas kosong; sekarang kami memiliki Garasi Quantum yang lengkap. Pada saat yang sama, kami telah menciptakan kolaborasi internasional yang terdiri dari para ahli terkemuka, melatih lebih dari 500 mahasiswa dan mahasiswa pascadoktoral di banyak bidang sains dan teknik kuantum, sambil mempertahankan fokus laser kami pada misi inti: meningkatkan koherensi qubit superkonduktor dalam sebuah cara yang sistematis.” 

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/