يعتمد المركز الأمريكي للمواد والأنظمة الكمومية فائقة التوصيل (SQMS) على مجموعة من التقنيات التمكينية الرائدة في فيرميلاب لتحقيق التطبيقات العملية للحوسبة الكمومية والاستشعار الكمي. مدير نظام إدارة الجودة آنا جراسلينو يخبر جو ماكنتي لماذا يعد التعاون متعدد التخصصات ضمن إطار عمل المختبر الوطني أمرًا أساسيًا لتحقيق النجاح
آنا جراسيلينو عالمة فيزياء في عجلة من أمرها. بصفتها قائدة لبرنامج علوم الكم الذي تبلغ قيمته 125 مليون دولار، تتمثل مهمتها في تنفيذ خارطة طريق للبحث والتطوير يمكن أن تبلغ قيمتها مليارات الدولارات لصناعة التكنولوجيا الأمريكية من خلال تطوير مواد وأجهزة فائقة التوصيل لأجهزة الكمبيوتر الكمومية من الجيل التالي.
متخصص في الموصلية الفائقة للترددات الراديوية، ويعمل جراسيلينو مديرًا لمركز المواد والأنظمة الكمومية فائقة التوصيل (SQMS) في مختبر فيرمي الوطني للتسريع، وهو منشأة فيزياء الجسيمات الأمريكية البارزة في ضواحي شيكاغو، إلينوي. بتمويل يصل إلى 25 مليون دولار سنويًا من خلال برنامجه الخمسي الأولي (2020-25)، يعد SQMS واحدًا من خمسة مراكز بحثية مخصصة تركز على علوم المعلومات الكمومية داخل نظام المختبر الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (انظر "" مكتب وزارة الطاقة للعلوم: الرهان الكبير على الكم، أدناه).
المرحلة النهائية من DOE وSQMS: تطوير ونشر أجهزة كمبيوتر كمومية عملية وأجهزة استشعار كمومية مع إمكانية اعتمادها علميًا وصناعيًا وتجاريًا على نطاق واسع.
تحديد أولويات التعاون
ولتحقيق هذا الهدف، يجمع نظام SQMS تعاونًا متعدد التخصصات يضم أكثر من 500 عالم ومهندس من 30 مؤسسة شريكة - مختبرات وطنية وجامعات وشركات في الولايات المتحدة وخارجها - لمعالجة "جميع أجزاء اللغز الكمي"، وفقًا لجراسيلينو. فكر في الموصلية الفائقة التطبيقية والنظرية، والعلوم الحسابية، وفيزياء الطاقة العالية والمواد المكثفة، وعلم التبريد، وأجهزة الموجات الدقيقة، وهندسة التحكم - مع كل هذا الجهد الجماعي المتوافق بشكل مباشر مع ترجمة وتطبيق علوم وتكنولوجيا الكم.
ومع هذه البتات الكمومية المتماسكة للغاية، ستصبح عمليات الحوسبة الكمومية الأكثر تعقيدًا ممكنة في النهاية
آنا جراسلينو
إحدى المشاكل الأساسية التي تشغل بال الباحثين في نظام SQMS هي التماسك الكمي - أو كيفية الحفاظ على عمر الحالات الكمومية الهشة لأطول فترة ممكنة (ثواني بدلاً من المللي ثانية أو الميكروثانية). يقول جراسيلينو: "باستخدام الموصلات الفائقة المبردة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، فإننا نخلق بيئات يمكن أن تتمتع فيها فوتونات الموجات الدقيقة بعمر طويل وحماية من الاضطرابات الخارجية. هذه الشروط تجعل من الممكن توليد حالات كمومية ومعالجتها وقراءتها. ومع هذه البتات الكمومية فائقة التوصيل والمتماسكة للغاية، ستصبح عمليات الحوسبة الكمومية الأكثر تعقيدًا ممكنة في النهاية.
في حين أن غراسيلينو لا تزال تعمل بشكل وثيق مع العلماء والمهندسين في الخطوط الأمامية - حيث تشرف على العمل في المختبر - فإن جدولها الزمني يتم تخصيصه بشكل متزايد في اتجاهات أخرى - على سبيل المثال، التعامل مع وكالات التمويل وشركاء البحث، مع ضمان بقاء مشاريع البحث والتطوير في SQMS على المسار الصحيح مقابل معالم وزارة الطاقة. والتسليمات. تقول: "ما أستمتع به حقًا هو أنه لا يوجد يوم عادي كمديرة لنظام إدارة الجودة الشاملة". "كل يوم مختلف."
توسيع نطاق المرافق
خلال السنوات الثلاث الأولى من نظام إدارة الجودة الشاملة، كانت الأولوية التشغيلية لـGrassellino وفريقها الإداري واضحة: توسيع نطاق البنية التحتية للبحث والتطوير الكمي داخل Fermilab. ويعد ما يسمى "المرآب الكمي" - وهو مختبر لنظام إدارة الجودة الشاملة تبلغ مساحته 560 مترًا مربعًا تقريبًا والذي تم إطلاقه رسميًا في بداية نوفمبر 2023 - مثالًا واضحًا على ذلك. على أحد المستويات، يعد Quantum Garage تمرينًا في بناء القدرات، مع أسطول مكون من ستة ثلاجات تخفيف إضافية (كان هناك اثنتين فقط في السابق) متاحة الآن على الإنترنت وتوفر التبريد المبرد لدعم البرامج التجريبية لنظام SQMS واختبار وقياس وتوصيف الأجهزة فائقة التوصيل والأنظمة الفرعية.
ومع ذلك، فإن مشروع Quantum Garage يدور حول ما هو أكثر بكثير من مجرد القدرة التجريبية وإنتاجية الأبحاث. ويشير جراسيلينو إلى أن "المنشأة الجديدة مكنتنا من إطلاق سلسلة من منصات اختبار البحث والتطوير الكمومية الفريدة". "تتضمن أنشطة الاختبار هذه دراسات تفصيلية عن الكيوبتات فائقة التوصيل ومعالجات الحوسبة الكمومية، بالإضافة إلى تطوير أجهزة استشعار كمية عالية التماسك لدعم برنامج فيرميلاب للفيزياء الأساسية - البحث عن جسيمات خارج النموذج القياسي، على سبيل المثال، بالإضافة إلى مرشحي المادة المظلمة. وموجات الجاذبية."
على طول تنسيق آخر، يوفر Quantum Garage البنية التحتية والموظفين لما يسمى بـ "Road robins" - بشكل أساسي تبادل المواد والأجهزة والأنظمة الفرعية الكمومية بين شركاء البحث والتطوير في شبكة SQMS لضمان اعتماد بروتوكولات الاختبار والقياس الموحدة والجودة. -سلاسل الضمان. ويشير جراسيلينو إلى أن "زملائنا في مختبرات المعايير، مثل المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، والمختبر الفيزيائي الوطني (NPL) في المملكة المتحدة، يلعبون دورًا حاسمًا في نجاح حزمة العمل هذه".
وتهدف مبادرة ذات صلة - فرقة العمل الوطنية للتصنيع النانوي - إلى تعزيز وتوحيد جهود نظام إدارة الجودة الشاملة في معالجة المواد النانوية. ضمن فريق العمل، يعمل أربعة شركاء لنظام إدارة الجودة الشاملة - Fermilab وNIST وNorthwestern University وRigetti Computing - معًا على برنامج تحسين مستمر للتصنيع على مستوى الجهاز.
ويشير غراسيلينو إلى أن "هذا تعاون مثمر حقًا". "لدينا باحثون ومهندسون في نظام إدارة الجودة الشاملة (SQMS) يزورون مرافق الغرف النظيفة لدى بعضهم البعض، ويتبادلون "وصفات" المواد والمعرفة المتخصصة على طول الطريق."
علاوة على ذلك، فقد سجل فريق العمل بالفعل نجاحًا من خلال زيادة أوقات التماسك للبتات الكمومية فائقة التوصيل (أكثر من عامل اثنين) عبر ثلاثة من المواقع - فيرميلاب، وريجيتي، وNIST. المفتاح هنا هو تقنية تغليف السطح الرائدة في SQMS والتي تمنع تكوين المواد العازلة السطحية (والتي تضر بشدة بأداء الكيوبت).
مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة: الرهان الكبير على الكم
يعد مركز SQMS واحدًا من خمسة مراكز وطنية لعلوم المعلومات الكمومية الممولة من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. مثل SQMS، يتمتع كل مركز من المراكز الأربعة الأخرى بشبكة خاصة به من شركاء الصناعة والأكاديميين والمختبرات الوطنية.
- يتولى قيادة مختبر لورانس بيركلي الوطني (بيركلي، كاليفورنيا) شركة Quantum Systems Accelerator (QSA) مع مختبرات سانديا الوطنية (Albuquerque، NM) كشريك رئيسي. تعمل QSA على التصميم المشترك للخوارزميات والأجهزة الكمومية والحلول الهندسية لتقديم "الميزة الكمية في التطبيقات العلمية".
- يقود Q-NEXT مختبر أرجون الوطني (ليمونت، إلينوي) ويعمل مع شركاء لإنشاء مسابك وطنية للمواد والأجهزة الكمومية. تشمل اختصاصات Q-NEXT أيضًا الاتصالات الكمومية الآمنة وشبكات الاستشعار الكمومية وإنشاء محاكاة كمومية وقواعد اختبار للشبكات.
- يرأس مركز العلوم الكمومية (QSC) مختبر أوك ريدج الوطني (أوك ريدج، تينيسي) ويقوم بتصميم المواد التي تمكن الحوسبة الكمومية الطوبولوجية (استنادًا إلى أشباه الجسيمات والأنظمة ثنائية الأبعاد)؛ تنفيذ أجهزة استشعار كمومية جديدة لتوصيف الحالات الطوبولوجية واكتشاف المادة المظلمة؛ وتصميم خوارزميات الكم والمحاكاة لدراسة المواد الكمومية وكيمياء الكم ونظريات المجال الكمي.
- لدى مركز التصميم المشترك للميزة الكمومية (C2QA) هدف مدته خمس سنوات يتمثل في تقديم تحسين بمقدار x10 في تحسين البرامج والمواد الأساسية وخصائص الجهاز وتصحيح الأخطاء الكمومية؛ أيضًا لضمان دمج هذه التحسينات لتوفير تحسين x1000 في المقاييس المناسبة للحساب الكمي والاتصالات. ويقود البرنامج مختبر بروكهافن الوطني (أبتون، نيويورك).
التعليم والتدريب الكمي
يعد Quantum Garage أيضًا محور جهود SQMS لتوسيع نطاق القوى العاملة الكمية المتخصصة. وبالعودة إلى أغسطس 2023، على سبيل المثال، أمضى ما يقرب من 150 مندوبًا، من 70 منظمة، 10 أيام في فيرميلاب لحضور أول مدرسة أمريكية لعلوم المعلومات الكمومية (USQIS). الهدف من المدرسة، التي ستعقد سنويًا، هو تطوير الجيل القادم من علماء الكم والمهندسين والفنيين من خلال تبادل المعرفة النظرية والمهارات التجريبية من خلال مزيج من المحاضرات ووقت المختبر وحلقات النقاش وجلسات الملصقات.
وجاء المشاركون في المدرسة الافتتاحية مع مجموعة واسعة من الخبرات والخلفيات، بما في ذلك الطلاب الجامعيين وطلاب الدراسات العليا والمعلمين، بالإضافة إلى الموظفين العلميين والفنيين من المختبرات الفيدرالية والصناعة. بينما تم تنظيم المدرسة واستضافتها بواسطة SQMS، كانت المحاضرات والتدريب عبارة عن جهد جماعي، شارك فيه ما يقرب من 50 معلمًا خبيرًا من جميع مراكز أبحاث الكم الخمسة التابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة. (وبنفس الروح، تنتقل عصا مدرسة 2024 الآن إلى مركز علوم الكم في مختبر أوك ريدج الوطني في تينيسي).
ابتكارات اختبار QUANT-NET: إعادة تصور الشبكة الكمومية
يقول جراسيلينو: "مع مدرسة USQIS، نقدم برنامجًا تعليميًا كميًا يمنح المشاركين تجربة تعليمية تفاعلية وعملية - أمثالها حاليًا بعيدة المنال بالنسبة للعديد من المهتمين بالمجال الذي يتوسع بسرعة". على وجه الخصوص، تعرض المدرسة الحاضرين لتقنيات تمكينية متطورة - بما في ذلك أنظمة التحكم بالكيوبت، وثلاجات التخفيف عالية السعة، والغرف النظيفة للتصنيع النانوي - والتي لا يوجد أي منها بشكل روتيني في بيئة جامعية نموذجية. ويضيف جراسيلينو: "إن هذا المزيج من الخبرة العميقة والبنية التحتية المتطورة هو الذي يجعل من المختبرات الوطنية القناة المثالية لهذا النوع من التدريب والتطوير المتخصص".
ومع التقدم المشجع الواضح على عدة جبهات لنظام إدارة الجودة الشاملة، فقد حولت جراسيلينو انتباهها بالفعل إلى دورة التمويل الخمس القادمة لمبادرة علم المعلومات الكمومية التابعة لوزارة الطاقة. إن التجديد المقترح لوزارة الطاقة - قيد المراجعة حاليًا في الكونجرس - سيشهد تعزيز تمويل نظام إدارة الجودة الشاملة للدورة 2025-30.
ويختتم جراسيلينو قائلاً: "لقد حقق نظام إدارة الجودة الشاملة (SQMS) نجاحًا بالفعل". “قبل ثلاث سنوات، كانت لدينا منشأة فارغة؛ الآن لدينا مرآب Quantum Garage مُجهز بالكامل. وفي الوقت نفسه، أنشأنا تعاونًا دوليًا لكبار الخبراء، وقمنا بتدريب أكثر من 500 طالب وطالبة في مرحلة ما بعد الدكتوراه في العديد من مجالات العلوم والهندسة الكمومية، مع الحفاظ على تركيزنا على المهمة الأساسية: زيادة تماسك البتات الكمومية فائقة التوصيل في بطريقة منهجية."
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/
