米国超伝導量子材料およびシステム (SQMS) センターは、量子コンピューティングと量子センシングの実用化を実現するために、フェルミラボで開拓された技術を可能にするポートフォリオを構築しています。 SQMSディレクター アンナ・グラセリーノ ジョー・マッケンティーが国立研究所の枠組み内での分野を超えた協力が成功の基礎となる理由を語る
アンナ・グラッセリーノは急いでいる物理学者です。 125 億 XNUMX 万ドルの量子科学プログラムのリーダーとして、彼女の使命は、次世代量子コンピューター用の超電導材料とデバイスの開発を通じて、米国のテクノロジー産業にとって数十億ドルの価値がある可能性がある研究開発ロードマップを実行することです。
RF 超伝導の専門家であるグラッセリーノ氏は、イリノイ州シカゴ郊外にある米国有数の素粒子物理学施設であるフェルミ国立加速器研究所の超伝導量子材料およびシステム (SQMS) センターの所長を務めています。当初の 25 年間プログラム (2020 ～ 25 年) を通じて年間 XNUMX 万ドルもの資金が提供された SQMS は、米国エネルギー省 (DOE) 国立研究所システム内の量子情報科学に焦点を当てた XNUMX つの専用研究センターのうちの XNUMX つです (「 DOE 科学局: 量子に大きな賭け」、以下)。
DOE と SQMS の最終目標: 大規模な科学的、産業的、商業的採用の可能性を備えた実用的な量子コンピューターと量子センサーを開発および展開すること。
コラボレーションを優先する
グラッセリーノ氏によると、その目標に向けて、SQMS は、米国内外の国立研究所、大学、企業など 500 のパートナー機関から 30 人を超える科学者やエンジニアの学際的なコラボレーションを結集し、「量子パズルのすべてのピース」に対処します。応用および理論超伝導、計算科学、高エネルギーおよび凝縮物性物理学、極低温学、マイクロ波デバイス、および制御工学を考えてみましょう。これらすべての集合的な努力が、量子科学技術の翻訳と応用に向けて真っ直ぐに調整されています。
これらのコヒーレント性の高い量子ビットを使用すると、最終的にはより複雑な量子コンピューティング操作が可能になります。
アンナ・グラセリーノ
SQMS 研究者が頭を悩ませている基本的な問題の 1 つは、量子のコヒーレンス、つまり壊れやすい量子状態の寿命をできるだけ長く (ミリ秒やマイクロ秒ではなく数秒) 保存する方法です。 「極低温に冷却された超伝導体を使用することで、マイクロ波光子の寿命が長く、外部摂動から保護できる環境を作り出します」とグラッセリーノ氏は言います。これらの条件により、量子状態の生成、操作、読み出しが可能になります。これらのコヒーレント性の高い超伝導量子ビットを使用すると、最終的にはより複雑な量子コンピューティング操作が可能になります。」
グラッセリーノ氏は依然として最前線の科学者やエンジニアと緊密に連携し、研究室での作業を監督していますが、彼女のスケジュールはますます他の方向に割り当てられており、たとえば、SQMS 研究開発プロジェクトが DOE のマイルストーンに対して順調に進んでいることを確認しながら、資金提供機関や研究パートナーとの関わりが増えています。そして成果物。 「私が本当に楽しいのは、SQMS ディレクターとしてありがちな一日がないことです」と彼女は言います。 「毎日は違います。」
施設のスケールアップ
SQMS の最初の 560 年間、Grassellino とその管理チームにとっての運営上の優先事項は明らかでした。それは、フェルミラボ内の量子研究開発インフラストラクチャをスケールアップすることでした。いわゆる「Quantum Garage」（2023 年 XNUMX 月初めに正式に発足した約 XNUMX 平方メートルの SQMS 研究所）は、その好例です。あるレベルでは、Quantum Garage は能力開発の演習であり、追加の XNUMX 台の希釈冷凍機 (以前は XNUMX 台のみでした) が現在オンラインで稼働し、SQMS 実験プログラムや超電導デバイスのテスト、測定、特性評価をサポートする極低温冷却を提供しています。そしてサブシステム。
ただし、Quantum Garage は実験能力や研究スループットをはるかに超えたものです。 「新しい施設のおかげで、一連の独自の量子研究開発テストベッドを立ち上げることができました」と Grassellino 氏は述べています。 「これらのテストベッドの活動には、超伝導量子ビットと量子コンピューティングプロセッサの詳細な研究と、フェルミ研究所の基礎物理学プログラムをサポートする高コヒーレンス量子センサーの開発が含まれます。たとえば、標準模型を超えた粒子や暗黒物質候補の探索などです。そして重力波。」
別の調整に沿って、Quantum Garage は、いわゆる「ラウンドロビン」のためのインフラストラクチャと人員を提供します。これは基本的に、標準化されたテストおよび測定プロトコルの採用と品質を確保するために、SQMS ネットワーク内の研究開発パートナー間で量子材料、デバイス、およびサブシステムを交換することです。 -保証チェーン。 「この作業パッケージの成功には、米国国立標準技術研究所 (NIST) や英国国立物理研究所 (NPL) などの標準研究所の同僚が不可欠です」と Grassellino 氏は述べています。
関連する取り組みである国家ナノファブリケーション タスクフォースは、ナノ材料加工における SQMS の取り組みを強化および標準化することを目的としています。タスクフォース内では、フェルミラボ、NIST、ノースウェスタン大学、リゲッティ コンピューティングの 4 つの SQMS パートナーが、デバイス レベルの製造の継続的改善プログラムに協力しています。
「これは本当に生産的な、協力的なコラボレーションです」とグラッセリーノ氏は言います。 「当社では、SQMS の研究者とエンジニアが互いのクリーンルーム施設を訪問し、その過程で材料の『レシピ』や専門家のノウハウを交換しています。」
さらに、タスクフォースは、フェルミ研究所、リゲッティ、NIST の 3 つの施設において、超伝導量子ビットのコヒーレンス時間を再現性よく増加 (2 倍以上) するという成功をすでに記録しています。ここで重要なのは、表面誘電体（量子ビットのパフォーマンスに非常に悪影響を与える）の形成を防ぐ、SQMS が開発した表面カプセル化技術です。
DOE科学局: 量子に大きく賭ける
SQMS センターは、米国エネルギー省科学局から資金提供を受けている 5 つの国立量子情報科学センターのうちの 1 つです。 SQMS と同様に、他の 4 つのセンターもそれぞれ、産業界、学術機関、国立研究所のパートナーからなる独自のネットワークを持っています。
- 量子システム アクセラレータ (QSA) は、ローレンス バークレー国立研究所 (カリフォルニア州バークレー) が主導し、サンディア国立研究所 (ニューメキシコ州アルバカーキ) がリードパートナーです。 QSA は、「科学的応用における量子の利点」を実現するために、アルゴリズム、量子デバイス、エンジニアリング ソリューションの共同設計に取り組んでいます。
- Q-NEXT はアルゴンヌ国立研究所 (イリノイ州ルモント) が主導しており、パートナーと協力して量子材料とデバイスのための 2 つの国立ファウンドリを設立しています。 Q-NEXT の任務には、安全な量子通信、量子センシング ネットワーク、量子シミュレーションとネットワーク テストベッドの確立も含まれます。
- 量子科学センター (QSC) はオークリッジ国立研究所 (テネシー州オークリッジ) が主導しており、(準粒子と 2D システムに基づく) トポロジカル量子コンピューティングを可能にする材料を設計しています。トポロジカル状態を特徴づけ、暗黒物質を検出するための新しい量子センサーを実装します。量子材料、量子化学、場の量子理論を研究するための量子アルゴリズムとシミュレーションを設計します。
- Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA) は、ソフトウェアの最適化、基礎となる材料とデバイスの特性、および量子エラー訂正において 10 倍の改善を実現するという 1000 年間の目標を掲げています。また、これらの改善を組み合わせることで、量子計算と通信の適切なメトリクスが XNUMX 倍向上することを保証します。このプログラムはブルックヘブン国立研究所（ニューヨーク州アプトン）が主導しています。
量子の教育とトレーニング
Quantum Garage は、量子スペシャリストの労働力を拡大するための SQMS の取り組みの中核でもあります。たとえば、2023 年 150 月に遡ると、70 の組織から選ばれた約 10 人の代表者がフェルミラボで XNUMX 日間を過ごし、米国初の量子情報科学 (USQIS) スクールに参加しました。毎年開催されるこのスクールの目的は、講義、実験時間、パネルディスカッション、ポスターセッションを組み合わせて理論的知識と実験スキルを共有することで、次世代の量子科学者、エンジニア、技術者を育成することです。
最初の学校の参加者は、学部生、大学院生、教育者、連邦研究所や産業界の科学・技術スタッフなど、幅広い経験と背景を持った人たちでした。この学校は SQMS によって組織され主催されましたが、講義とトレーニングはまさに共同作業であり、DOE 科学省の 50 つの量子研究センターすべてから 2024 人近くの専門講師が参加しました。 (同じ精神で、XNUMX 年の学校へのバトンは現在、テネシー州オークリッジ国立研究所の量子科学センターに渡されています。)
QUANT-NET のテストベッドのイノベーション: 量子ネットワークの再考
「USQIS スクールでは、参加者にインタラクティブで実践的な学習体験を提供する量子教育プログラムを提供していますが、このようなものは、現在、急速に拡大している分野に興味を持つ多くの人にとって手の届かないものです」と Grassellino 氏は述べています。特に、この学校では、量子ビット制御システム、大容量希釈冷蔵庫、ナノ製造クリーンルームなど、一般的な大学環境では日常的に見られない高度な実現技術を受講者に提供しています。 「深い専門知識と最先端のインフラストラクチャーの組み合わせにより、国立研究所はこの種の専門家のトレーニングと開発にとって理想的なチャネルとなっています」とグラッセリーノ氏は付け加えた。
複数の SQMS 分野で心強い進歩が見られることから、グラッセリーノ氏はすでに DOE の量子情報科学イニシアチブに対する次の 2025 年間の資金調達サイクルに注目を集めています。現在議会で検討中のDOEの更新案では、30年からXNUMX年のサイクルに向けてSQMS資金が増額される可能性がある。
「SQMS はすでに成功しています」と Grassellino 氏は結論づけています。 「500 年前、私たちの施設には空きがありました。これで、完全に装備されたQuantum Garageが完成しました。同時に、私たちは主要な専門家による国際的なコラボレーションを構築し、量子科学と工学の多くの分野で XNUMX 人を超える学生とポスドクを育成し、同時に中核となる使命である超伝導量子ビットのコヒーレンスを高めることに重点を置き続けてきました。体系的な方法で。」
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/
