Centrum SQMS firmy Fermilab zajmuje się wszystkimi aspektami „puzzli kwantowych” – Świata Fizyki

<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="Otwarte dla biznesu Dyrektor SQMS Anna Grassellino przemawia do delegatów podczas ceremonii przecięcia wstęgi w garażu kwantowym Fermilab w listopadzie 2023 r. Laboratorium o powierzchni 560 metrów kwadratowych zapewnia dedykowane zaplecze do wspierania programów SQMS w zakresie obliczeń kwantowych i wykrywania kwantowego. (Dzięki uprzejmości: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino jest fizykiem w pośpiechu. Jako liderka wartego 125 mln dolarów programu nauk kwantowych do jej zadań należy wdrożenie planu działania w zakresie badań i rozwoju, który może być wart miliardy dolarów dla amerykańskiego przemysłu technologicznego poprzez rozwój materiałów i urządzeń nadprzewodzących dla komputerów kwantowych nowej generacji.

Grassellino, specjalista w dziedzinie nadprzewodnictwa RF, jest dyrektorem Centrum Nadprzewodzących Materiałów i Systemów Kwantowych (SQMS) w Fermi National Accelerator Laboratory, wybitnym amerykańskim ośrodku fizyki cząstek elementarnych na obrzeżach Chicago w stanie Illinois. Finansowany kwotą 25 mln dolarów rocznie w ramach początkowego pięcioletniego programu (2020–25) SQMS jest jednym z pięciu wyspecjalizowanych ośrodków badawczych zajmujących się nauką o informacji kwantowej w ramach systemu laboratorium krajowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) (patrz „The Biuro Naukowe DOE: duże stawianie na technologię kwantową”, poniżej).

Finał DOE i SQMS: opracowanie i wdrożenie praktycznych komputerów kwantowych i czujników kwantowych z potencjałem do zastosowania na dużą skalę w celach naukowych, przemysłowych i komercyjnych.

Priorytetowanie współpracy

Aby osiągnąć ten cel, SQMS łączy multidyscyplinarną współpracę ponad 500 naukowców i inżynierów z 30 instytucji partnerskich – laboratoriów krajowych, uniwersytetów i przedsiębiorstw w USA i poza nimi – aby zająć się „wszystkimi elementami kwantowej układanki”, twierdzi Grassellino. Pomyśl o nadprzewodnictwie stosowanym i teoretycznym, naukach obliczeniowych, fizyce wysokich energii i materii skondensowanej, kriogenice, urządzeniach mikrofalowych i inżynierii sterowania – a cały ten wspólny wysiłek jest skierowany bezpośrednio na tłumaczenie i zastosowanie nauki i technologii kwantowej.

Dzięki tym wysoce spójnym kubitom ostatecznie możliwe staną się bardziej złożone operacje obliczeń kwantowych

Anny Grassellino

Jednym z podstawowych problemów zaprzątających badaczy SQMS jest spójność kwantowa – czyli sposób, w jaki można zachować czas życia kruchych stanów kwantowych tak długo, jak to możliwe (w sekundach, a nie milisekundach czy mikrosekundach). „Wykorzystując nadprzewodniki schłodzone do temperatur kriogenicznych” – mówi Grassellino – „tworzymy środowiska, w których fotony mikrofalowe mogą mieć długi czas życia i być chronione przed zakłóceniami zewnętrznymi. Warunki te umożliwiają generowanie stanów kwantowych, manipulowanie nimi i odczytywanie ich. Dzięki tym wysoce spójnym kubitom nadprzewodzącym ostatecznie możliwe staną się bardziej złożone operacje obliczeń kwantowych”.

Chociaż Grassellino nadal blisko współpracuje z czołowymi naukowcami i inżynierami – nadzorując pracę w laboratorium – jej harmonogram jest coraz częściej przeznaczany na inne kierunki – na przykład współpracuje z agencjami finansującymi i partnerami badawczymi, zapewniając jednocześnie realizację projektów badawczo-rozwojowych SQMS zgodnie z kamieniami milowymi DOE i produkty. „Naprawdę podoba mi się to, że nie ma typowego dnia jako dyrektor SQMS” – mówi. "Każdy dzień jest inny."

Skalowanie obiektów

Przez pierwsze trzy lata SQMS priorytet operacyjny dla Grassellino i jej zespołu kierowniczego był jasny: zwiększenie skali kwantowej infrastruktury badawczo-rozwojowej w Fermilab. Dobrym przykładem jest tak zwany „garaż kwantowy” – laboratorium SQMS o powierzchni około 560 metrów kwadratowych, które zostało formalnie uruchomione na początku listopada 2023 r. Z jednej strony Garaż Kwantowy to ćwiczenie w budowaniu potencjału, z flotą sześciu dodatkowych lodówek rozcieńczających (poprzednio były tylko dwie) obecnie dostępnych online i zapewniających chłodzenie kriogeniczne w celu wspierania programów eksperymentalnych SQMS oraz testowania, pomiarów i charakteryzowania urządzeń nadprzewodzących i podsystemy.

<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="Pod jednym dachem Naukowcy z projektu SQMS utworzyli w garażu kwantowym szereg stanowisk testowych badawczo-rozwojowych, aby wspierać badania nad nadprzewodzącymi kubitami, kwantowymi procesorami obliczeniowymi i czujnikami kwantowymi na potrzeby podstawowego programu fizyki Fermilab. (Dzięki uprzejmości: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -wszystkie-aspekty-świata-fizyki-kwantowej-puzzli-1.jpg”>

Jednakże Garaż Kwantowy to znacznie więcej niż tylko możliwości eksperymentalne i wydajność badawcza. „Nowy obiekt umożliwił nam uruchomienie szeregu unikalnych stanowisk do testów kwantowych badawczo-rozwojowych” – zauważa Grassellino. „Te działania na poligonie testowym obejmują szczegółowe badania nadprzewodzących kubitów i kwantowych procesorów obliczeniowych, a także rozwój czujników kwantowych o wysokiej koherencji w celu wsparcia podstawowego programu fizyki Fermilab – na przykład poszukiwanie cząstek poza Modelem Standardowym, a także kandydatów na ciemną materię i fale grawitacyjne.”

Wzdłuż innej współrzędnej Garaż Kwantowy zapewnia infrastrukturę i personel dla tak zwanych „działań okrężnych” – zasadniczo wymiany materiałów, urządzeń i podsystemów kwantowych pomiędzy partnerami badawczo-rozwojowymi w sieci SQMS w celu zapewnienia przyjęcia standardowych protokołów testów i pomiarów oraz jakości -łańcuchy zabezpieczające. „Nasi koledzy z laboratoriów normalizacyjnych, takich jak Amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) oraz Krajowe Laboratorium Fizyczne (NPL) w Wielkiej Brytanii, mają kluczowe znaczenie dla powodzenia tego pakietu roboczego” – zauważa Grassellino.

Powiązana inicjatywa – Krajowa Grupa Zadaniowa ds. Nanofabrykacji – ma na celu ulepszenie i standaryzację wysiłków SQMS w przetwarzaniu nanomateriałów. W ramach grupy zadaniowej czterech partnerów SQMS – Fermilab, NIST, Northwestern University i Rigetti Computing – współpracuje nad programem ciągłego doskonalenia produkcji na poziomie urządzenia.

„To naprawdę produktywna, ścisła współpraca” – zauważa Grassellino. „Badacze i inżynierowie SQMS odwiedzają nawzajem swoje pomieszczenia czyste, wymieniając po drodze „przepisy” na materiały i specjalistyczną wiedzę”.

Co więcej, grupa zadaniowa odniosła już sukces poprzez powtarzalne zwiększanie czasów koherencji kubitów nadprzewodzących (ponad dwukrotnie) w trzech ośrodkach – Fermilab, Rigetti i NIST. Kluczem jest tu pionierska technika enkapsulacji powierzchniowej SQMS, która zapobiega tworzeniu się dielektryków powierzchniowych (które są bardzo szkodliwe dla wydajności kubitu).

Edukacja i szkolenie kwantowe

Garaż kwantowy jest także centralnym punktem wysiłków SQMS na rzecz skalowania specjalistycznej siły roboczej kwantowej. Na przykład w sierpniu 2023 r. prawie 150 delegatów pochodzących z 70 organizacji spędziło 10 dni w Fermilab, uczęszczając do pierwszej amerykańskiej szkoły Quantum Information Science (USQIS). Celem szkoły, która będzie organizowana co roku, jest rozwój kolejnego pokolenia naukowców, inżynierów i techników zajmujących się kwantami poprzez dzielenie się wiedzą teoretyczną i umiejętnościami eksperymentalnymi w formie wykładów, zajęć laboratoryjnych, dyskusji panelowych i sesji plakatowych.

<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="Powrót do szkoły W sierpniu 2023 r. Quantum Garage gościło prawie 150 delegatów uczęszczających do pierwszej amerykańskiej szkoły Quantum Information Science (USQIS). (Dzięki uprzejmości: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-sqms-center-addresses -wszystkie-aspekty-świata-fizyki-kwantowej-puzzli-2.jpg”>

Uczestnicy szkoły inauguracyjnej pochodzili z szerokiego zakresu doświadczeń i środowisk, w tym studenci studiów licencjackich i magisterskich, pedagodzy, a także pracownicy naukowi i techniczni z laboratoriów federalnych i przemysłu. Chociaż szkoła została zorganizowana i prowadzona przez SQMS, wykłady i szkolenia były w dużej mierze wspólnym wysiłkiem, w którym wzięło udział blisko 50 instruktorów-ekspertów ze wszystkich pięciu ośrodków badań kwantowych Biura Nauki DOE. (W tym samym duchu pałeczka za szkołę na rok 2024 przechodzi teraz do Quantum Science Center w Oak Ridge National Laboratory w Tennessee.)

Innowacje testowe QUANT-NET: nowe oblicze sieci kwantowej

„Dzięki szkole USQIS oferujemy program edukacji kwantowej, który zapewnia uczestnikom interaktywne, praktyczne doświadczenie edukacyjne, które jest obecnie poza zasięgiem wielu zainteresowanych szybko rozwijającą się dziedziną” – zauważa Grassellino. W szczególności szkoła udostępnia uczestnikom zaawansowane technologie wspomagające – w tym systemy kontroli kubitów, lodówki do rozcieńczania o dużej pojemności i czyste pomieszczenia do nanofabrykacji – z których żadna nie jest rutynowo spotykana w typowym środowisku uniwersyteckim. „To połączenie głębokiej wiedzy specjalistycznej i najnowocześniejszej infrastruktury sprawia, że ​​laboratoria krajowe są idealnym kanałem dla tego rodzaju specjalistycznego szkolenia i rozwoju” – dodaje Grassellino.

Widząc zachęcający postęp na wielu frontach SQMS, Grassellino już kieruje swoją uwagę na kolejny pięcioletni cykl finansowania inicjatywy DOE w zakresie nauki o informacji kwantowej. Proponowane przez DOE odnowienie – obecnie rozpatrywane w Kongresie – spowodowałoby potencjalne zwiększenie finansowania SQMS w cyklu 2025–30.

„SQMS już okazał się sukcesem” – podsumowuje Grassellino. „Trzy lata temu mieliśmy pusty obiekt; teraz mamy w pełni wyposażony garaż kwantowy. W tym samym czasie nawiązaliśmy międzynarodową współpracę z wiodącymi ekspertami, przeszkoliliśmy ponad 500 studentów i doktorantów w wielu obszarach nauki i inżynierii kwantowej, jednocześnie skupiając się na naszej podstawowej misji: zwiększaniu spójności nadprzewodzących kubitów w Systematycznie." 

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/