费米实验室的 SQMS 中心解决了“量子难题”的各个方面 – 物理世界

<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="开门营业 SQMS 主任 Anna Grassellino 于 2023 年 560 月在费米实验室量子车库剪彩仪式上向代表们发表讲话。这个 XNUMX 平方米的实验室提供专用设施来支持量子计算和量子传感方面的 SQMS 项目。 （由 Dan Svoboda、Ryan Postel/费米实验室提供）”>

安娜·格拉塞利诺 (Anna Grassellino) 是一位忙碌的物理学家。作为价值 125 亿美元的量子科学项目的负责人，她的职责是通过开发下一代量子计算机的超导材料和设备来实施一项研发路线图，该路线图可能为美国科技行业带来数十亿美元的价值。

作为射频超导方面的专家，Grassellino 是费米国家加速器实验室超导量子材料和系统 (SQMS) 中心的主任，该实验室是位于伊利诺伊州芝加哥郊区的美国杰出粒子物理设施。 SQMS 通过其最初的五年计划（25-2020）每年获得 25 万美元的资助，是美国能源部 (DOE) 国家实验室系统内专注于量子信息科学的五个专门研究中心之一（参见“美国能源部科学办公室：在量子上大赌注”，见下文）。

美国能源部和 SQMS 的最终目标是：开发和部署具有大规模科学、工业和商业应用潜力的实用量子计算机和量子传感器。

优先考虑合作

为了实现这一目标，SQMS 汇集了来自 500 个合作机构（美国及其他地区的国家实验室、大学和企业）的 30 多名科学家和工程师的多学科合作，以解决“量子难题的所有部分”，Grassellino 表示。想想应用和理论超导、计算科学、高能和凝聚态物理、低温学、微波设备和控制工程——所有这些集体努力都直接致力于量子科学和技术的转化和应用。

有了这些高度相干的量子位，更复杂的量子计算操作最终将成为可能

安娜格拉塞利诺

SQMS 研究人员关注的基本问题之一是量子相干性，或者说如何尽可能长时间地保留脆弱量子态的寿命（几秒而不是毫秒或微秒）。 “通过使用冷却至低温的超导体，”格拉塞利诺说，“我们创造了微波光子可以具有较长寿命并免受外部扰动的环境。这些条件使得产生量子态、操纵它们并读出它们成为可能。有了这些高度相干的超导量子位，更复杂的量子计算操作最终将成为可能。”

虽然 Grassellino 仍然与一线科学家和工程师密切合作——监督实验室的工作——但她的日程安排越来越多地分配到其他方向——例如与资助机构和研究合作伙伴合作，同时确保 SQMS 研发项目与 DOE 里程碑保持正轨和可交付成果。 “我真正喜欢的是，作为 SQMS 总监，没有典型的一天，”她说。 “每一天都不一样。”

扩大设施规模

在 SQMS 的前三年，Grassellino 及其管理团队的运营重点很明确：扩大费米实验室内的量子研发基础设施。所谓的“量子车库”——一个占地约 560 平方米的 SQMS 实验室，于 2023 年 XNUMX 月初正式启用——就是一个很好的例子。在某种程度上，量子车库是一项能力建设活动，由六台额外的稀释制冷机组成的机队（之前只有两台）现已上线，并提供低温冷却以支持 SQMS 实验计划以及超导设备的测试、测量和表征和子系统。

<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="在一个屋檐下 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”>

然而，量子车库的意义远不止于实验能力和研究吞吐量。 “新设施使我们能够推出一系列独特的量子研发测试平台，”格拉塞利诺指出。 “这些测试平台活动包括对超导量子位和量子计算处理器的精细研究，以及开发高相干量子传感器以支持费米实验室的基础物理计划——例如寻找标准模型之外的粒子以及暗物质候选者和引力波。”

沿着另一个坐标，量子车库为所谓的“循环”提供基础设施和人员——本质上是在 SQMS 网络中的研发合作伙伴之间交换量子材料、设备和子系统，以确保采用标准化测试和测量协议和质量——保证链。 “我们在美国国家标准与技术研究所 (NIST) 和英国国家物理实验室 (NPL) 等标准实验室的同事对于这项工作包的成功至关重要，”Grassellino 指出。

一项相关举措——国家纳米制造工作组——旨在加强和标准化纳米材料加工中的 SQMS 工作。在该工作组中，四个 SQMS 合作伙伴（费米实验室、NIST、西北大学和 Rigetti Computer）正在共同致力于器件级制造的持续改进计划。

“这是一次非常富有成效的、携手合作，”格拉塞利诺指出。 “我们让 SQMS 研究人员和工程师参观彼此的洁净室设施，并在此过程中交换材料‘配方’和专业知识。”

更重要的是，该工作组已经在费米实验室、Rigetti 和 NIST 三个站点上通过可重复地增加超导量子位的相干时间（超过两倍）取得了成功。这里的关键是 SQMS 首创的表面封装技术，该技术可防止表面电介质的形成（这对量子位性能非常不利）。

量子教育与培训

量子车库也是 SQMS 扩大专业量子劳动力规模的核心。例如，早在 2023 年 150 月，来自 70 个组织的近 10 名代表在费米实验室度过了 XNUMX 天的时间，参加了美国第一所量子信息科学 (USQIS) 学校的学习。该学校每年举办一次，其目标是通过讲座、实验室时间、小组讨论和海报会议分享理论知识和实验技能，培养下一代量子科学家、工程师和技术人员。

<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="回到学校 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”>

首届学校的参与者拥有广泛的经验和背景，包括本科生和研究生、教育工作者以及来自联邦实验室和工业界的科学和技术人员。虽然学校是由 SQMS 组织和主办的，但讲座和培训在很大程度上是集体努力的结果，涉及来自美国能源部所有五个科学办公室量子研究中心的近 50 名专家讲师。 （本着同样的精神，2024 年学校的接力棒现在移交给了田纳西州橡树岭国家实验室的量子科学中心。）

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“通过 USQIS 学校，我们提供量子教育计划，为参与者提供互动的实践学习体验 - 对于许多对快速发展的领域感兴趣的人来说，目前这种体验是遥不可及的，”Grassellino 指出。特别是，学校向与会者展示了复杂的使能技术，包括量子位控制系统、大容量稀释冰箱和纳米制造洁净室，这些技术在典型的大学环境中都是不常见的。 “正是深厚的专业知识和尖端基础设施的结合，使国家实验室成为此类专业培训和发展的理想渠道，”格拉塞利诺补充道。

随着 SQMS 多个领域取得了令人鼓舞的明显进展，Grassellino 已经将注意力转向美国能源部量子信息科学计划的下一个五年资助周期。美国能源部的续订提议（目前正在国会审查中）可能会增加 2025-30 周期的 SQMS 资金。

“SQMS 已经取得了成功，”Grassellino 总结道。 “三年前，我们的设施是空的；现在我们有了一个装备齐全的量子车库。与此同时，我们建立了领先专家的国际合作，在量子科学和工程的许多领域培训了 500 多名学生和博士后，同时保持我们对核心任务的专注：提高超导量子位的相干性。系统化的方式。” 

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/