Trung tâm SQMS của Fermilab giải quyết mọi khía cạnh của ‘câu đố lượng tử’ – 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="Mở cho doanh nghiệp Giám đốc SQMS Anna Grassellino phát biểu trước các đại biểu tại lễ cắt băng khánh thành Nhà để xe lượng tử của Fermilab vào tháng 2023 năm 560. Phòng thí nghiệm rộng XNUMX mét vuông cung cấp cơ sở vật chất chuyên dụng để hỗ trợ các chương trình SQMS trong điện toán lượng tử và cảm biến lượng tử. (Được phép: Dan Svoboda, Ryan Postel/Fermilab)”>

Anna Grassellino là một nhà vật lý vội vàng. Với tư cách là người lãnh đạo chương trình khoa học lượng tử trị giá 125 triệu đô la, nhiệm vụ của cô là thực hiện lộ trình R&D có thể trị giá hàng tỷ đô la cho ngành công nghệ Hoa Kỳ thông qua việc phát triển các vật liệu và thiết bị siêu dẫn cho máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo.

Là chuyên gia về siêu dẫn RF, Grassellino là giám đốc Trung tâm Hệ thống và Vật liệu Lượng tử Siêu dẫn (SQMS) tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi, cơ sở vật lý hạt nổi tiếng của Hoa Kỳ ở ngoại ô Chicago, Illinois. Được tài trợ với số tiền 25 triệu đô la mỗi năm thông qua chương trình 2020 năm đầu tiên (25–XNUMX), SQMS là một trong năm trung tâm nghiên cứu chuyên dụng tập trung vào khoa học thông tin lượng tử trong hệ thống Phòng thí nghiệm Quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) (xem “The Văn phòng Khoa học DOE: đặt cược lớn vào lượng tử”, bên dưới).

Trò chơi cuối cùng của DOE và SQMS: phát triển và triển khai các máy tính lượng tử thực tế và cảm biến lượng tử có tiềm năng áp dụng khoa học, công nghiệp và thương mại ở quy mô lớn.

Ưu tiên hợp tác

Để hướng tới mục tiêu đó, SQMS tập hợp sự hợp tác đa ngành của hơn 500 nhà khoa học và kỹ sư từ 30 tổ chức đối tác – phòng thí nghiệm quốc gia, trường đại học và doanh nghiệp ở Hoa Kỳ và hơn thế nữa – để giải quyết “tất cả các mảnh ghép của câu đố lượng tử”, theo Grassellino. Hãy suy nghĩ về siêu dẫn lý thuyết và ứng dụng, khoa học tính toán, vật lý năng lượng cao và vật chất ngưng tụ, phương pháp đông lạnh, thiết bị vi sóng và kỹ thuật điều khiển - với tất cả nỗ lực tập thể này đều hướng tới việc chuyển đổi và ứng dụng khoa học và công nghệ lượng tử.

Với các qubit có tính kết hợp cao này, các hoạt động tính toán lượng tử phức tạp hơn cuối cùng sẽ trở nên khả thi

Anna Grassellino

Một trong những vấn đề cơ bản khiến các nhà nghiên cứu SQMS bận tâm là sự kết hợp lượng tử – hay làm thế nào để duy trì thời gian tồn tại của các trạng thái lượng tử mong manh càng lâu càng tốt (giây thay vì mili giây hoặc micro giây). Grassellino cho biết: “Bằng cách sử dụng các chất siêu dẫn được làm lạnh đến nhiệt độ đông lạnh, chúng tôi tạo ra môi trường trong đó các photon vi sóng có thể có tuổi thọ dài và bảo vệ khỏi các nhiễu loạn bên ngoài. Những điều kiện này giúp tạo ra các trạng thái lượng tử, thao tác và đọc chúng ra. Với các qubit siêu dẫn có độ kết hợp cao này, các hoạt động điện toán lượng tử phức tạp hơn cuối cùng sẽ trở nên khả thi.”

Trong khi Grassellino vẫn hợp tác chặt chẽ với các nhà khoa học và kỹ sư tuyến đầu – giám sát công việc trong phòng thí nghiệm – lịch trình của cô ngày càng được phân bổ theo các hướng khác – chẳng hạn như tham gia với các cơ quan tài trợ và đối tác nghiên cứu, đồng thời đảm bảo các dự án R&D của SQMS vẫn đi đúng hướng so với các mốc quan trọng của DOE và các sản phẩm bàn giao. Cô nói: “Điều tôi thực sự thích thú là không có một ngày điển hình nào với tư cách là giám đốc SQMS. "Mỗi ngày là khác nhau."

Mở rộng cơ sở vật chất

Trong ba năm đầu tiên của SQMS, ưu tiên hoạt động của Grassellino và nhóm quản lý của cô rất rõ ràng: mở rộng quy mô cơ sở hạ tầng R&D lượng tử trong Fermilab. Cái gọi là “Nhà để xe lượng tử” – một phòng thí nghiệm SQMS rộng khoảng 560 mét vuông, chính thức ra mắt vào đầu tháng 2023 năm XNUMX – là một trường hợp điển hình. Ở một cấp độ, Nhà để xe lượng tử là một hoạt động xây dựng năng lực, với một đội gồm sáu tủ lạnh pha loãng bổ sung (trước đây chỉ có hai) hiện đã trực tuyến và cung cấp khả năng làm mát bằng đông lạnh để hỗ trợ các chương trình thử nghiệm SQMS cũng như thử nghiệm, đo lường và mô tả đặc tính của các thiết bị siêu dẫn và các hệ thống con.

<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="Dưới một mái nhà 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”>

Tuy nhiên, Nhà để xe lượng tử không chỉ dừng lại ở khả năng thử nghiệm và năng suất nghiên cứu. Grassellino lưu ý: “Cơ sở mới đã cho phép chúng tôi khởi động một loạt thử nghiệm R&D lượng tử độc đáo. “Các hoạt động thử nghiệm đó bao gồm các nghiên cứu chi tiết về qubit siêu dẫn và bộ xử lý điện toán lượng tử cũng như phát triển các cảm biến lượng tử có độ kết hợp cao để hỗ trợ chương trình vật lý cơ bản của Fermilab – chẳng hạn như tìm kiếm các hạt ngoài Mô hình Chuẩn, cũng như các ứng cử viên vật chất tối. và sóng hấp dẫn.”

Cùng với một tọa độ khác, Nhà để xe lượng tử cung cấp cơ sở hạ tầng và nhân sự cho cái gọi là “vòng tròn” - về cơ bản là trao đổi vật liệu, thiết bị và hệ thống con lượng tử giữa các đối tác R&D trong mạng SQMS để đảm bảo áp dụng các giao thức và chất lượng thử nghiệm và đo lường được tiêu chuẩn hóa -chuỗi đảm bảo. Grassellino lưu ý: “Các đồng nghiệp của chúng tôi tại các phòng thí nghiệm tiêu chuẩn như Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) và Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia (NPL) ở Anh đóng vai trò quan trọng đối với sự thành công của gói công việc này”.

Một sáng kiến ​​liên quan – Lực lượng đặc nhiệm chế tạo nano quốc gia – nhằm mục đích tăng cường và tiêu chuẩn hóa nỗ lực SQMS trong xử lý vật liệu nano. Trong lực lượng đặc nhiệm, bốn đối tác của SQMS – Fermilab, NIST, Đại học Northwestern và Rigetti Computing – đang cùng nhau thực hiện một chương trình cải tiến liên tục để chế tạo ở cấp độ thiết bị.

Grassellino lưu ý: “Đây là một sự hợp tác thực sự hiệu quả và hiệu quả. “Chúng tôi đã mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư của SQMS đến thăm các cơ sở phòng sạch của nhau, trao đổi ‘công thức’ nguyên liệu và bí quyết chuyên môn trong suốt quá trình thực hiện.”

Hơn nữa, lực lượng đặc nhiệm đã đạt được thành công bằng cách tăng thời gian kết hợp của các qubit siêu dẫn (nhiều hơn hệ số hai) trên ba địa điểm – Fermilab, Rigetti và NIST. Chìa khóa ở đây là kỹ thuật đóng gói bề mặt tiên phong của SQMS nhằm ngăn chặn sự hình thành các chất điện môi bề mặt (rất có hại cho hiệu suất qubit).

Giáo dục và đào tạo lượng tử

Nhà để xe lượng tử cũng là trung tâm cho những nỗ lực của SQMS nhằm mở rộng quy mô lực lượng lao động lượng tử chuyên nghiệp. Ví dụ, trở lại tháng 2023 năm 150, gần 70 đại biểu, đến từ 10 tổ chức, đã dành XNUMX ngày tại Fermilab để theo học Trường Khoa học Thông tin Lượng tử (USQIS) đầu tiên của Hoa Kỳ. Mục đích của trường, sẽ được tổ chức hàng năm, là phát triển thế hệ tiếp theo của các nhà khoa học, kỹ sư và kỹ thuật viên lượng tử bằng cách chia sẻ kiến ​​thức lý thuyết và kỹ năng thực nghiệm thông qua sự kết hợp giữa các bài giảng, thời gian trong phòng thí nghiệm, thảo luận nhóm và các buổi áp phích.

<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="Trở lại trường 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”>

Những người tham gia vào trường khai giảng có nhiều kinh nghiệm và kiến ​​thức nền tảng, bao gồm sinh viên đại học và sau đại học, các nhà giáo dục cũng như nhân viên khoa học và kỹ thuật từ các phòng thí nghiệm và ngành công nghiệp liên bang. Mặc dù trường được tổ chức và chủ trì bởi SQMS, nhưng các bài giảng và đào tạo là nỗ lực tập thể, với sự tham gia của gần 50 giảng viên chuyên môn từ cả năm trung tâm nghiên cứu lượng tử của Văn phòng Khoa học DOE. (Với tinh thần tương tự, chiếc dùi cui cho ngôi trường năm 2024 hiện được chuyển đến Trung tâm Khoa học Lượng tử tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee.)

Những cải tiến đã được thử nghiệm của QUANT-NET: hình dung lại mạng lượng tử

Grassellino lưu ý: “Với trường USQIS, chúng tôi đang cung cấp một chương trình giáo dục lượng tử mang đến cho người tham gia trải nghiệm học tập thực hành, tương tác – những điều tương tự hiện nằm ngoài tầm với của nhiều người quan tâm đến lĩnh vực đang mở rộng nhanh chóng”. Đặc biệt, trường giúp người tham dự tiếp cận với các công nghệ hỗ trợ phức tạp – bao gồm hệ thống kiểm soát qubit, tủ lạnh pha loãng công suất cao và phòng sạch chế tạo nano – không có công nghệ nào thường thấy trong môi trường đại học điển hình. Grassellino cho biết thêm: “Chính sự kết hợp giữa chuyên môn sâu và cơ sở hạ tầng tiên tiến đã khiến Phòng thí nghiệm Quốc gia trở thành kênh lý tưởng cho loại hình đào tạo và phát triển chuyên môn này”.

Với những tiến bộ đáng khích lệ rõ ràng trên nhiều mặt trận SQMS, Grassellino đã chuyển sự chú ý sang chu kỳ tài trợ 2025 năm tiếp theo cho sáng kiến ​​​​khoa học thông tin lượng tử của DOE. Đề xuất đổi mới của DOE - hiện đang được Quốc hội xem xét - sẽ thấy nguồn tài trợ của SQMS có khả năng được tăng cường cho chu kỳ 30-XNUMX.

“SQMS đã thành công,” Grassellino kết luận. “Ba năm trước, chúng tôi có một cơ sở trống; bây giờ chúng tôi có Nhà để xe lượng tử được trang bị đầy đủ. Đồng thời, chúng tôi đã tạo ra sự hợp tác quốc tế gồm các chuyên gia hàng đầu, đào tạo hơn 500 sinh viên và postdoc trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật lượng tử, đồng thời duy trì sự tập trung cao độ vào sứ mệnh cốt lõi: tăng cường sự gắn kết của các qubit siêu dẫn trong một cách có hệ thống.” 

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/