SQMS Center ของ Fermilab กล่าวถึงทุกแง่มุมของ 'ปริศนาควอนตัม' - 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="เปิดทำการ Anna Grassellino ผู้อำนวยการ SQMS กล่าวปราศรัยกับผู้ร่วมประชุมในพิธีตัดริบบิ้นสำหรับ Quantum Garage ของ Fermilab ในเดือนพฤศจิกายน 2023 ห้องปฏิบัติการขนาด 560 ตารางเมตรมีสิ่งอำนวยความสะดวกเฉพาะเพื่อสนับสนุนโปรแกรม SQMS ในด้านการประมวลผลควอนตัมและการตรวจจับควอนตัม (เอื้อเฟื้อโดย: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino เป็นนักฟิสิกส์ที่รีบร้อน ในฐานะผู้นำโครงการวิทยาศาสตร์ควอนตัมมูลค่า 125 ล้านเหรียญสหรัฐ ภารกิจของเธอคือการใช้แผนงานด้านการวิจัยและพัฒนาที่อาจมีมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์สำหรับอุตสาหกรรมเทคโนโลยีของสหรัฐฯ ผ่านการพัฒนาวัสดุและอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นต่อไป

กราสเซลลิโนเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการนำยิ่งยวดของ RF เป็นผู้อำนวยการศูนย์วัสดุและระบบควอนตัมยิ่งยวด (SQMS) ที่ห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ Fermi ซึ่งเป็นศูนย์ฟิสิกส์อนุภาคชั้นนำของสหรัฐอเมริกาในเขตชานเมืองชิคาโก รัฐอิลลินอยส์ ด้วยทุนสนับสนุนเป็นจำนวนเงิน 25 ล้านเหรียญต่อปีผ่านโครงการห้าปีเริ่มแรก (พ.ศ. 2020–25) SQMS เป็นหนึ่งในห้าศูนย์วิจัยเฉพาะด้านที่มุ่งเน้นด้านวิทยาการสารสนเทศควอนตัมภายในระบบห้องปฏิบัติการแห่งชาติของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (DOE) (ดู “ สำนักงานวิทยาศาสตร์ DOE: เดิมพันครั้งใหญ่กับควอนตัม” ด้านล่าง)

เกมสุดท้ายของ DOE และ SQMS: เพื่อพัฒนาและปรับใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมและเซ็นเซอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริง พร้อมศักยภาพในการนำไปใช้ทางวิทยาศาสตร์ อุตสาหกรรม และเชิงพาณิชย์ในวงกว้าง

การจัดลำดับความสำคัญของการทำงานร่วมกัน

เพื่อบรรลุเป้าหมายดังกล่าว SQMS รวบรวมความร่วมมือจากหลากหลายสาขาของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรมากกว่า 500 คนจากสถาบันพันธมิตร 30 แห่ง ไม่ว่าจะเป็นห้องปฏิบัติการระดับชาติ มหาวิทยาลัย และธุรกิจในสหรัฐฯ และที่อื่น ๆ เพื่อจัดการกับ "ชิ้นส่วนทั้งหมดของปริศนาควอนตัม" ตามข้อมูลของ Grassellino ลองนึกถึงการนำยิ่งยวดแบบประยุกต์และเชิงทฤษฎี วิทยาศาสตร์การคำนวณ ฟิสิกส์พลังงานสูงและสสารควบแน่น ไครโอเจนิกส์ อุปกรณ์ไมโครเวฟ และวิศวกรรมควบคุม โดยความพยายามร่วมกันทั้งหมดนี้สอดคล้องกับการแปลและการประยุกต์ใช้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควอนตัมอย่างเต็มที่

ด้วยคิวบิตที่มีความสอดคล้องกันสูงเหล่านี้ การดำเนินการประมวลผลควอนตัมที่ซับซ้อนมากขึ้นจึงเป็นไปได้ในที่สุด

แอนนา กราสเซลลิโน

ปัญหาพื้นฐานประการหนึ่งที่นักวิจัย SQMS ครอบงำอยู่ก็คือการเชื่อมโยงกันของควอนตัม หรือวิธีรักษาอายุการใช้งานของสถานะควอนตัมที่เปราะบางให้นานที่สุดเท่าที่จะทำได้ (วินาทีแทนที่จะเป็นมิลลิวินาทีหรือไมโครวินาที) Grassellino กล่าว "ด้วยการใช้ตัวนำยิ่งยวดที่เย็นลงถึงอุณหภูมิที่เย็นจัด" เราสร้างสภาพแวดล้อมที่โฟตอนไมโครเวฟสามารถมีอายุการใช้งานยาวนานและป้องกันการรบกวนจากภายนอก เงื่อนไขเหล่านี้ทำให้สามารถสร้างสถานะควอนตัม จัดการและอ่านสถานะเหล่านั้นได้ ด้วยคิวบิตตัวนำยิ่งยวดที่มีความสอดคล้องกันสูงเหล่านี้ การดำเนินการประมวลผลควอนตัมที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นจึงจะเป็นไปได้ในที่สุด”

ในขณะที่ Grassellino ยังคงทำงานอย่างใกล้ชิดกับนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรแนวหน้า – ดูแลงานในห้องปฏิบัติการ – ตารางงานของเธอได้รับการจัดสรรมากขึ้นในทิศทางอื่น – มีส่วนร่วมกับหน่วยงานให้ทุนสนับสนุนและพันธมิตรด้านการวิจัย เป็นต้น ขณะเดียวกันก็ทำให้มั่นใจว่าโครงการ SQMS R&D ยังคงดำเนินไปตามเป้าหมายเทียบกับหลักชัยของ DOE และการส่งมอบ “สิ่งที่ฉันชอบจริงๆ ก็คือไม่มีวันปกติในฐานะผู้กำกับ SQMS” เธอกล่าว “ทุกวันแตกต่างกัน”

ขยายขนาดสิ่งอำนวยความสะดวก

ในช่วงสามปีแรกของ SQMS ลำดับความสำคัญในการปฏิบัติงานของ Grassellino และทีมผู้บริหารของเธอมีความชัดเจน นั่นก็คือ การขยายโครงสร้างพื้นฐานด้านการวิจัยและพัฒนาควอนตัมภายใน Fermilab สิ่งที่เรียกว่า "Quantum Garage" ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการ SQMS ขนาดประมาณ 560 ตารางเมตรที่เปิดตัวอย่างเป็นทางการเมื่อต้นเดือนพฤศจิกายน 2023 ถือเป็นกรณีตัวอย่าง ในระดับหนึ่ง Quantum Garage คือการออกกำลังกายในการสร้างขีดความสามารถ โดยมีตู้เย็นเจือจางเพิ่มเติมอีก XNUMX เครื่อง (ก่อนหน้านี้มีเพียง XNUMX เครื่อง) ที่ขณะนี้ออนไลน์อยู่ และให้การทำความเย็นด้วยความเย็นเพื่อสนับสนุนโปรแกรมการทดลอง SQMS และการทดสอบ การวัด และการกำหนดลักษณะเฉพาะของอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวด และระบบย่อย

<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="ภายใต้หลังคาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ของ SQMS ได้สร้างชุดทดสอบ R&D ใน Quantum Garage เพื่อรองรับการศึกษาคิวบิตตัวนำยิ่งยวด โปรเซสเซอร์ประมวลผลควอนตัม และเซ็นเซอร์ควอนตัมสำหรับโปรแกรมฟิสิกส์พื้นฐานของ Fermilab (เอื้อเฟื้อโดย: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”คลิกเพื่อเปิดภาพในป๊อปอัป” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-squares-center-addresses -ทุกแง่มุมของควอนตัมปริศนาฟิสิกส์ world-1.jpg”>

อย่างไรก็ตาม Quantum Garage เป็นมากกว่าความสามารถในการทดลองและปริมาณงานการวิจัย “โรงงานแห่งใหม่ช่วยให้เราเปิดตัวชุดทดสอบ R&D ควอนตัมที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวได้” กราสเซลลิโนกล่าว “กิจกรรมทดสอบเหล่านั้นประกอบด้วยการศึกษาแบบละเอียดเกี่ยวกับคิวบิตตัวนำยิ่งยวดและตัวประมวลผลคอมพิวเตอร์ควอนตัม ตลอดจนการพัฒนาเซ็นเซอร์ควอนตัมที่มีความเชื่อมโยงสูงเพื่อสนับสนุนโปรแกรมฟิสิกส์พื้นฐานของ Fermilab เช่น การค้นหาอนุภาคที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน รวมถึงตัวเลือกที่มีสสารมืด และคลื่นความโน้มถ่วง”

นอกเหนือจากการประสานงานอื่น Quantum Garage ยังจัดเตรียมโครงสร้างพื้นฐานและบุคลากรสำหรับสิ่งที่เรียกว่า "การหมุนเวียนแบบกลม" ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือการแลกเปลี่ยนวัสดุ อุปกรณ์ และระบบย่อยของควอนตัมระหว่างพันธมิตรด้านการวิจัยและพัฒนาในเครือข่าย SQMS เพื่อให้มั่นใจว่าการนำโปรโตคอลและคุณภาพการทดสอบและการวัดที่ได้มาตรฐานมาใช้ - โซ่ประกัน “เพื่อนร่วมงานของเราในห้องปฏิบัติการมาตรฐาน เช่น สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NIST) และห้องปฏิบัติการทางกายภาพแห่งชาติ (NPL) ในสหราชอาณาจักร มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จของแพ็คเกจงานนี้” กราสเซลลิโนตั้งข้อสังเกต

ความคิดริเริ่มที่เกี่ยวข้อง - หน่วยงานเฉพาะกิจนาโนแฟบริคแห่งชาติ - มีวัตถุประสงค์เพื่อปรับปรุงและสร้างมาตรฐานความพยายาม SQMS ในการประมวลผลวัสดุนาโน ภายในหน่วยงาน พันธมิตร SQMS สี่ราย ได้แก่ Fermilab, NIST, Northwestern University และ Rigetti Computing กำลังทำงานร่วมกันในโครงการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องสำหรับการผลิตระดับอุปกรณ์

“นี่เป็นการทำงานร่วมกันที่มีประสิทธิผลอย่างแท้จริง” Grassellino กล่าว “เรามีนักวิจัยและวิศวกรของ SQMS เยี่ยมชมห้องคลีนรูมของกันและกัน แลกเปลี่ยน 'สูตร' วัสดุ และความรู้ของผู้เชี่ยวชาญตลอดเส้นทาง”

ยิ่งไปกว่านั้น ทีมงานได้บันทึกความสำเร็จไว้แล้วด้วยการเพิ่มเวลาในการเชื่อมโยงกันของคิวบิตตัวนำยิ่งยวด (มากกว่าปัจจัยสองเท่า) ในไซต์งานสามแห่ง ได้แก่ Fermilab, Rigetti และ NIST สิ่งสำคัญที่นี่คือเทคนิคการห่อหุ้มพื้นผิวที่บุกเบิกโดย SQMS ซึ่งป้องกันการก่อตัวของไดอิเล็กทริกที่พื้นผิว (ซึ่งส่งผลเสียอย่างมากต่อประสิทธิภาพของควิบิต)

การศึกษาและการฝึกอบรมควอนตัม

Quantum Garage ยังเป็นศูนย์กลางของความพยายามของ SQMS ในการขยายขนาดบุคลากรผู้เชี่ยวชาญด้านควอนตัม ตัวอย่างเช่น ย้อนกลับไปในเดือนสิงหาคม 2023 ผู้เข้าร่วมเกือบ 150 คนจาก 70 องค์กร ใช้เวลา 10 วันที่ Fermilab เพื่อเข้าร่วมโรงเรียน Quantum Information Science (USQIS) แห่งแรกของสหรัฐอเมริกา เป้าหมายของโรงเรียนซึ่งจะจัดขึ้นทุกปี คือเพื่อพัฒนานักวิทยาศาสตร์ควอนตัม วิศวกร และช่างเทคนิครุ่นต่อไปด้วยการแบ่งปันความรู้ทางทฤษฎีและทักษะการทดลองผ่านการบรรยาย เวลาในห้องปฏิบัติการ การอภิปรายเป็นคณะ และเซสชันโปสเตอร์

<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="กลับไปที่โรงเรียน ในเดือนสิงหาคม 2023 Quantum Garage ได้ต้อนรับผู้เข้าร่วมเกือบ 150 คนที่เข้าร่วมโรงเรียน Quantum Information Science (USQIS) แห่งแรกของสหรัฐอเมริกา (เอื้อเฟื้อโดย: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)” title=”คลิกเพื่อเปิดภาพในป๊อปอัป” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/fermilabs-squares-center-addresses -ทุกแง่มุมของควอนตัมปริศนาฟิสิกส์ world-2.jpg”>

ผู้เข้าร่วมในโรงเรียนเปิดเทอมนี้มีประสบการณ์และภูมิหลังที่หลากหลาย รวมถึงนักศึกษาระดับปริญญาตรีและบัณฑิตศึกษา นักการศึกษา ตลอดจนเจ้าหน้าที่ด้านวิทยาศาสตร์และเทคนิคจากห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรมของรัฐบาลกลาง ในขณะที่โรงเรียนจัดและเป็นเจ้าภาพโดย SQMS การบรรยายและการฝึกอบรมเป็นความพยายามร่วมกันอย่างมาก โดยมีอาจารย์ผู้เชี่ยวชาญเกือบ 50 คนจากศูนย์วิจัยควอนตัมสำนักงานวิทยาศาสตร์ DOE ทั้งห้าแห่ง (ด้วยจิตวิญญาณเดียวกันนั้น กระบองสำหรับโรงเรียนปี 2024 จึงส่งต่อไปยังศูนย์วิทยาศาสตร์ควอนตัมที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในรัฐเทนเนสซี)

นวัตกรรมทดสอบของ QUANT-NET: พลิกโฉมเครือข่ายควอนตัม

“โรงเรียน USQIS เรากำลังนำเสนอโปรแกรมการศึกษาควอนตัมที่ให้ผู้เข้าร่วมได้รับประสบการณ์การเรียนรู้เชิงโต้ตอบและลงมือปฏิบัติจริง ซึ่งขณะนี้ผู้สนใจจำนวนมากในสาขาที่กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วเช่นนี้ยังเข้าถึงไม่ได้” Grassellino กล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โรงเรียนเปิดโอกาสให้ผู้เข้าร่วมได้สัมผัสกับเทคโนโลยีที่ก้าวล้ำสมัย รวมถึงระบบควบคุมคิวบิต ตู้เย็นสำหรับเจือจางความจุสูง และห้องปลอดเชื้อที่ทำจากโครงสร้างนาโน ซึ่งไม่พบเทคโนโลยีเหล่านี้อยู่ทั่วไปในมหาวิทยาลัยทั่วไป “การผสมผสานระหว่างความเชี่ยวชาญเชิงลึกและโครงสร้างพื้นฐานที่ล้ำสมัยทำให้ห้องปฏิบัติการแห่งชาติเป็นช่องทางในอุดมคติสำหรับการฝึกอบรมและการพัฒนาเฉพาะทางประเภทนี้” กราสเซลลิโนกล่าวเสริม

ด้วยความคืบหน้าที่เห็นได้ชัดในหลายๆ ด้านของ SQMS Grassellino จึงหันความสนใจไปที่วงจรการระดมทุนห้าปีถัดไปสำหรับโครงการริเริ่มด้านวิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัมของ DOE การต่ออายุที่เสนอของ DOE ซึ่งขณะนี้อยู่ระหว่างการพิจารณาในสภาคองเกรส จะทำให้เงินทุนของ SQMS อาจได้รับการสนับสนุนเพิ่มขึ้นสำหรับรอบปี 2025-30

“SQMS ประสบความสำเร็จแล้ว” Grassellino กล่าวสรุป “สามปีที่แล้ว เรามีสถานที่ว่างเปล่า ตอนนี้เรามี Quantum Garage ที่ติดตั้งอุปกรณ์ครบครันแล้ว ในเวลาเดียวกัน เราได้สร้างความร่วมมือระหว่างประเทศของผู้เชี่ยวชาญชั้นนำ โดยฝึกอบรมนักศึกษาและ postdocs มากกว่า 500 คนในสาขาวิทยาศาสตร์ควอนตัมและวิศวกรรมศาสตร์มากมาย ขณะเดียวกันก็รักษาการมุ่งเน้นที่เลเซอร์ของเราไปที่ภารกิจหลัก นั่นคือ การเพิ่มการเชื่อมโยงกันของคิวบิตตัวนำยิ่งยวดใน อย่างเป็นระบบ” 

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/