Fermilabs SQMS Center tar upp alla aspekter av "kvantpusslet" - 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="Öppen för affärer SQMS-chefen Anna Grassellino tilltalar delegaterna vid bandklippningsceremonin för Fermilabs Quantum Garage i november 2023. Det 560 kvadratmeter stora laboratoriet tillhandahåller dedikerade faciliteter för att stödja SQMS-program inom kvantberäkning och kvantavkänning. (Med tillstånd: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino är fysiker som har bråttom. Som ledare för ett kvantvetenskapsprogram på 125 miljoner dollar är hennes uppdrag att implementera en FoU-färdplan som kan vara värd miljarder dollar för den amerikanska teknikindustrin via utvecklingen av supraledande material och enheter för nästa generations kvantdatorer.

En specialist på RF-superledning, Grassellino är chef för Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center vid Fermi National Accelerator Laboratory, den framstående amerikanska partikelfysikanläggningen i utkanten av Chicago, Illinois. SQMS finansieras med 25 miljoner USD per år genom sitt första femåriga program (2020–25), och är ett av fem dedikerade forskningscentra fokuserade på kvantinformationsvetenskap inom det amerikanska energidepartementets (DOE) nationella laboratoriesystem (se "The DOE Office of Science: satsar stort på kvantum”, nedan).

Slutspelet för DOE och SQMS: att utveckla och distribuera praktiska kvantdatorer och kvantsensorer med potential för vetenskaplig, industriell och kommersiell användning i stor skala.

Prioritera samarbete

Mot det målet samlar SQMS ett tvärvetenskapligt samarbete av mer än 500 forskare och ingenjörer från 30 partnerinstitutioner – nationella laboratorier, universitet och företag i USA och utanför – för att ta itu med "alla bitar av kvantpusslet", enligt Grassellino. Tänk på tillämpad och teoretisk supraledning, beräkningsvetenskap, högenergi- och kondenserad materiafysik, kryogenik, mikrovågsenheter och kontrollteknik – med all denna kollektiva ansträngning riktad mot översättning och tillämpning av kvantvetenskap och teknik.

Med dessa mycket koherenta qubits kommer mer komplexa kvantberäkningsoperationer i slutändan att bli möjliga

Anna Grassellino

Ett av de grundläggande problemen som upptar SQMS-forskare är kvantkoherens – eller hur man bevarar livstiderna för bräckliga kvanttillstånd så länge som möjligt (sekunder snarare än millisekunder eller mikrosekunder). "Genom att använda supraledare kylda till kryogena temperaturer", säger Grassellino, "skapar vi miljöer där mikrovågsfotoner kan ha lång livslängd och skydda mot yttre störningar. Dessa förhållanden gör det möjligt att generera kvanttillstånd, manipulera dem och läsa ut dem. Med dessa mycket koherenta supraledande qubits kommer mer komplexa kvantberäkningsoperationer i slutändan att bli möjliga."

Medan Grassellino fortfarande arbetar nära med forskare och ingenjörer i frontlinjen – övervakar arbetet i labbet – allokeras hennes schema i allt högre grad åt andra riktningar – engagerar sig till exempel med finansiärer och forskningspartners samtidigt som de säkerställer att SQMS FoU-projekt förblir på rätt spår kontra DOE-milstolpar och leveranser. "Vad jag verkligen tycker om är att det inte finns någon vanlig dag som SQMS-chef", säger hon. "Varje dag är annorlunda."

Skala upp anläggningarna

Under de första tre åren av SQMS var den operativa prioriteringen för Grassellino och hennes ledningsgrupp tydlig: att skala upp kvant-FoU-infrastrukturen inom Fermilab. Det så kallade "Quantum Garage" – ett cirka 560 kvadratmeter stort SQMS-laboratorium som lanserades formellt i början av november 2023 – är ett exempel. På en nivå är Quantum Garage en övning i kapacitetsuppbyggnad, med en flotta av ytterligare sex utspädningskylskåp (tidigare fanns det bara två) nu online och tillhandahåller kryogen kylning för att stödja SQMS experimentella program och test, mätning och karakterisering av supraledande enheter och delsystem.

<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="Under ett tak 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”>

Quantum Garage handlar dock om mycket mer än experimentell kapacitet och forskningsgenomströmning. "Den nya anläggningen har gjort det möjligt för oss att lansera en serie unika kvant-FoU-testbäddar", konstaterar Grassellino. "De här testbäddsaktiviteterna inkluderar granulära studier av supraledande kvantbitar och kvantberäkningsprocessorer samt utvecklingen av kvantsensorer med hög koherens för att stödja Fermilabs grundläggande fysikprogram – sökning efter partiklar bortom standardmodellen, till exempel, såväl som kandidater för mörk materia och gravitationsvågor."

Tillsammans med en annan koordinat tillhandahåller Quantum Garage infrastrukturen och personalen för så kallade "round robins" - i huvudsak utbyte av kvantmaterial, enheter och delsystem mellan FoU-partners i SQMS-nätverket för att säkerställa antagandet av standardiserade test- och mätprotokoll och kvalitet -försäkringskedjor. "Våra kollegor vid standardlaboratorier som US National Institute for Standards and Technology (NIST) och National Physical Laboratory (NPL) i Storbritannien är avgörande för framgången med detta arbetspaket", konstaterar Grassellino.

Ett relaterat initiativ – National Nanofabrication Taskforce – syftar till att förbättra och standardisera SQMS-insatsen inom bearbetning av nanomaterial. Inom arbetsgruppen arbetar fyra SQMS-partners – Fermilab, NIST, Northwestern University och Rigetti Computing – tillsammans på ett kontinuerligt förbättringsprogram för tillverkning på enhetsnivå.

"Det här är ett riktigt produktivt, hand i hand-samarbete", konstaterar Grassellino. "Vi har fått SQMS-forskare och ingenjörer som besöker varandras renrumsanläggningar, utbyter material "recept" och specialistkunskap längs vägen."

Dessutom har arbetsgruppen redan registrerat framgång genom att reproducerbart öka koherenstider för supraledande qubits (mer än en faktor två) över tre av platserna – Fermilab, Rigetti och NIST. Nyckeln här är en SQMS-banad ytinkapslingsteknik som förhindrar bildandet av ytdielektrik (vilket är mycket skadligt för qubit-prestanda).

Kvantutbildning och träning

Quantum Garage är också mittpunkten för SQMS ansträngningar för att skala den specialiserade kvantarbetsstyrkan. Till exempel i augusti 2023 tillbringade nästan 150 delegater, från 70 organisationer, 10 dagar på Fermilab och gick på den första amerikanska skolan för kvantinformationsvetenskap (USQIS). Målet med skolan, som kommer att hållas årligen, är att utveckla nästa generation av kvantforskare, ingenjörer och tekniker genom att dela teoretiska kunskaper och experimentella färdigheter genom en blandning av föreläsningar, laborationer, paneldiskussioner och postersessioner.

<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="Tillbaka till skolan 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”>

Deltagare i den inledande skolan kom med ett brett utbud av erfarenheter och bakgrunder, inklusive studenter och doktorander, utbildare samt vetenskaplig och teknisk personal från federala labb och industri. Medan skolan var organiserad och värd av SQMS, var föreläsningarna och utbildningarna i hög grad en kollektiv ansträngning, som involverade nära 50 expertinstruktörer från alla fem kvantforskningscentren vid DOE Office of Science. (I samma anda går nu stafettpinnen för 2024 års skola till Quantum Science Center vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee.)

QUANT-NETs testbäddsinnovationer: omforma kvantnätverket

"Med USQIS-skolan erbjuder vi ett kvantutbildningsprogram som ger deltagarna en interaktiv, praktisk inlärningsupplevelse - sådana som för närvarande är utom räckhåll för många som är intresserade av det snabbt växande området", konstaterar Grassellino. I synnerhet utsätter skolan deltagarna för sofistikerad möjliggörande teknik – inklusive qubit-kontrollsystem, högkapacitetsutspädningskylskåp och renrum för nanotillverkning – av vilka ingen rutinmässigt finns i en typisk universitetsmiljö. "Det är denna blandning av djup expertis och banbrytande infrastruktur som gör National Laboratories till den idealiska kanalen för den här typen av specialistutbildning och utveckling", tillägger Grassellino.

Med uppmuntrande framsteg synliga längs flera SQMS-fronter, vänder Grassellino redan sin uppmärksamhet mot nästa femåriga finansieringscykel för DOE:s initiativ för kvantinformationsvetenskap. DOE:s föreslagna förnyelse – som för närvarande granskas i kongressen – skulle se SQMS-finansiering potentiellt ökad för cykeln 2025-30.

"SQMS är redan en framgång", avslutar Grassellino. ”För tre år sedan hade vi en tom anläggning; nu har vi ett fullt utrustat Quantum Garage. Samtidigt har vi skapat ett internationellt samarbete med ledande experter, utbildat mer än 500 studenter och postdoktorer inom många områden inom kvantvetenskap och teknik, samtidigt som vi behåller vårt laserfokus på kärnuppdraget: att öka koherensen av supraledande qubits i en systematiskt sätt." 

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/