미국 초전도 양자 재료 및 시스템(SQMS) 센터는 양자 컴퓨팅 및 양자 감지의 실용적인 응용을 실현하기 위해 Fermilab에서 개척한 기술 포트폴리오를 구축하고 있습니다. SQMS 이사 안나 그라셀리노 Joe McEntee에게 국립 연구소 프레임워크 내에서 학제 간 협력이 성공의 기본인 이유를 설명합니다.
안나 그라셀리노(Anna Grassellino)는 바쁜 물리학자입니다. 125억 XNUMX만 달러 규모의 양자 과학 프로그램의 리더로서 그녀의 임무는 차세대 양자 컴퓨터용 초전도 재료 및 장치 개발을 통해 미국 기술 산업에 수십억 달러의 가치가 있을 수 있는 R&D 로드맵을 구현하는 것입니다.
RF 초전도 전문가인 Grassellino는 일리노이주 시카고 외곽에 있는 미국 최고의 입자 물리학 시설인 Fermi National Accelerator Laboratory의 SQMS(초전도 양자 재료 및 시스템) 센터 소장입니다. 초기 25개년 프로그램(2020~25)을 통해 연간 XNUMX만 달러의 자금을 지원받는 SQMS는 미국 에너지부(DOE) 국립 연구소 시스템 내 양자 정보 과학에 초점을 맞춘 XNUMX개 전담 연구 센터 중 하나입니다. DOE Office of Science: 양자에 큰 투자”(아래).
DOE 및 SQMS 최종 게임: 대규모 과학, 산업 및 상업적 채택 가능성을 갖춘 실용적인 양자 컴퓨터 및 양자 센서를 개발하고 배포합니다.
협업 우선순위
Grassellino에 따르면 SQMS는 이러한 목표를 위해 미국 및 그 외 국가의 국립 연구소, 대학 및 기업 등 500개 파트너 기관의 30명 이상의 과학자 및 엔지니어로 구성된 다학제적 협력을 통해 "양자 퍼즐의 모든 조각"을 해결합니다. 응용 및 이론적 초전도성, 계산 과학, 고에너지 및 응집 물질 물리학, 극저온학, 마이크로파 장치 및 제어 공학을 생각해 보세요. 이러한 모든 공동 노력은 양자 과학 및 기술의 번역 및 응용을 향해 정확하게 맞춰져 있습니다.
이러한 고도로 일관성 있는 큐비트를 사용하면 더 복잡한 양자 컴퓨팅 작업이 궁극적으로 가능해집니다.
안나 그라셀리노
SQMS 연구자들이 선점하고 있는 근본적인 문제 중 하나는 양자 일관성, 즉 취약한 양자 상태의 수명을 가능한 한 오랫동안(밀리초 또는 마이크로초가 아닌 몇 초) 보존하는 방법입니다. Grassellino는 “극저온으로 냉각된 초전도체를 사용함으로써 마이크로파 광자가 수명이 길고 외부 교란으로부터 보호받을 수 있는 환경을 조성했습니다. 이러한 조건을 통해 양자 상태를 생성하고 조작하고 판독할 수 있습니다. 이러한 고도로 일관성 있는 초전도 큐비트를 사용하면 궁극적으로 더 복잡한 양자 컴퓨팅 작업이 가능해질 것입니다.”
Grassellino는 여전히 일선 과학자 및 엔지니어와 긴밀하게 협력하여 실험실 작업을 감독하지만 그녀의 일정은 점점 더 다른 방향으로 할당됩니다. 예를 들어 SQMS R&D 프로젝트가 DOE 이정표에 비해 제대로 진행되도록 하는 동시에 자금 지원 기관 및 연구 파트너와 협력합니다. 그리고 결과물. "제가 정말 좋아하는 점은 SQMS 이사로 일하면서 일상적인 일이 없다는 것입니다."라고 그녀는 말합니다. “매일이 달라요.”
시설 확장
SQMS의 첫 560년 동안 Grassellino와 관리팀의 운영 우선순위는 분명했습니다. 바로 Fermilab 내에서 양자 R&D 인프라를 확장하는 것이었습니다. 2023년 XNUMX월 초에 공식적으로 출범한 약 XNUMX평방미터 규모의 SQMS 실험실인 소위 "Quantum Garage"가 좋은 예입니다. 한 수준에서 Quantum Garage는 현재 온라인에 있는 XNUMX개의 추가 희석 냉장고(이전에는 XNUMX개만 있음)를 갖춘 용량 구축 연습이며 SQMS 실험 프로그램과 초전도 장치의 테스트, 측정 및 특성화를 지원하기 위해 극저온 냉각을 제공합니다. 그리고 하위 시스템.
그러나 Quantum Garage는 실험 용량과 연구 처리량 그 이상입니다. Grassellino는 "새로운 시설을 통해 일련의 고유한 양자 R&D 테스트베드를 출시할 수 있었습니다."라고 말했습니다. “이러한 테스트베드 활동에는 초전도 큐비트 및 양자 컴퓨팅 프로세서에 대한 세부적인 연구뿐만 아니라 Fermilab의 기본 물리학 프로그램을 지원하기 위한 고결맞음 양자 센서 개발이 포함됩니다. 예를 들어 표준 모델을 넘어서는 입자와 암흑 물질 후보를 검색합니다. 그리고 중력파.”
또 다른 좌표와 함께 Quantum Garage는 표준화된 테스트 및 측정 프로토콜과 품질의 채택을 보장하기 위해 SQMS 네트워크의 R&D 파트너 간에 양자 재료, 장치 및 하위 시스템을 교환하는 소위 "라운드 로빈"을 위한 인프라와 인력을 제공합니다. -보증 체인. Grassellino는 "미국 국립 표준 기술 연구소(NIST)와 영국 국립 물리 연구소(NPL)와 같은 표준 연구소의 동료들은 이 작업 패키지의 성공에 매우 중요합니다."라고 말합니다.
관련 이니셔티브인 국립 나노제조 태스크포스(National Nanofabrication Taskforce)는 나노재료 처리에 대한 SQMS 노력을 강화하고 표준화하는 것을 목표로 합니다. 태스크포스 내에서는 Fermilab, NIST, Northwestern University 및 Rigetti Computing 등 4개의 SQMS 파트너가 장치 수준 제조를 위한 지속적인 개선 프로그램을 위해 협력하고 있습니다.
Grassellino는 “이것은 정말 생산적인 협업입니다.”라고 말합니다. "SQMS 연구원과 엔지니어가 서로의 클린룸 시설을 방문하면서 재료 '레시피'와 전문 노하우를 교환했습니다."
더욱이 태스크포스는 Fermilab, Rigetti 및 NIST 등 세 곳의 사이트에서 초전도 큐비트의 일관성 시간(2배 이상)을 재현 가능하게 증가시켜 이미 성공을 거두었습니다. 여기서 핵심은 (큐비트 성능에 매우 해로운) 표면 유전체의 형성을 방지하는 SQMS가 개척한 표면 캡슐화 기술입니다.
DOE Office of Science: 양자에 큰 투자
SQMS 센터는 미국 DOE Office of Science에서 자금을 지원하는 5개의 전국 양자 정보 과학 센터 중 하나입니다. SQMS와 마찬가지로 다른 4개 센터에도 각각 산업, 학계, 국립 연구소 파트너로 구성된 자체 네트워크가 있습니다.
- QSA(양자 시스템 가속기)는 로렌스 버클리 국립 연구소(캘리포니아주 버클리)가 주도하고 샌디아 국립 연구소(뉴욕주 앨버커키)가 리드 파트너입니다. QSA는 "과학 응용 분야의 양자 이점"을 제공하기 위해 알고리즘, 양자 장치 및 엔지니어링 솔루션을 공동 설계하는 작업을 수행합니다.
- Q-NEXT는 Argonne National Laboratory(일리노이주 레몬트)가 주도하며 파트너와 협력하여 양자 재료 및 장치를 위한 두 개의 국립 파운드리를 설립하고 있습니다. Q-NEXT의 임무에는 보안 양자 통신, 양자 감지 네트워크, 양자 시뮬레이션 및 네트워크 테스트베드 구축도 포함됩니다.
- QSC(양자과학센터)는 오크리지 국립연구소(테네시주 오크리지)가 주도하며 위상학적 양자 컴퓨팅(준입자 및 2D 시스템 기반)을 가능하게 하는 재료를 설계하고 있습니다. 위상 상태를 특성화하고 암흑 물질을 감지하기 위해 새로운 양자 센서를 구현합니다. 양자 물질, 양자 화학 및 양자 장 이론을 조사하기 위한 양자 알고리즘 및 시뮬레이션을 설계합니다.
- C2QA(Co-design Center for Quantum Advantage)는 소프트웨어 최적화, 기본 재료 및 장치 속성, 양자 오류 수정 분야에서 10배의 개선을 제공한다는 1000년 목표를 가지고 있습니다. 또한 이러한 개선 사항이 결합되어 양자 계산 및 통신을 위한 적절한 측정 기준이 XNUMX배 향상되도록 보장합니다. 이 프로그램은 Brookhaven National Laboratory(뉴욕주 업턴)가 주도합니다.
양자 교육 및 훈련
Quantum Garage는 전문적인 양자 인력을 확장하려는 SQMS 노력의 중심이기도 합니다. 예를 들어, 2023년 150월에는 70개 조직에서 선발된 약 10명의 대표자가 Fermilab에서 XNUMX일 동안 첫 번째 USQuantum Information Science(USQIS) 학교에 참석했습니다. 매년 개최되는 이 학교의 목적은 강의, 실습 시간, 패널 토론 및 포스터 세션을 혼합하여 이론적 지식과 실험 기술을 공유함으로써 차세대 양자 과학자, 엔지니어 및 기술자를 양성하는 것입니다.
창립 학교의 참가자들은 학부 및 대학원생, 교육자, 연방 연구소 및 업계의 과학 및 기술 직원을 포함하여 광범위한 경험과 배경을 가지고 있었습니다. 학교는 SQMS에 의해 조직되고 주최되었지만 강의와 교육은 50개 DOE Office of Science 양자 연구 센터의 2024명에 가까운 전문 강사가 참여한 공동 노력이었습니다. (같은 정신으로 XNUMX년 학교의 지휘봉은 이제 테네시주 오크리지 국립연구소의 양자과학센터로 넘어갑니다.)
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"USQIS 학교를 통해 우리는 참가자들에게 대화형 실습 학습 경험을 제공하는 양자 교육 프로그램을 제공하고 있습니다. 이러한 프로그램은 현재 빠르게 확장되는 분야에 관심이 있는 많은 사람들에게 도달할 수 없습니다."라고 Grassellino는 말합니다. 특히, 학교는 큐비트 제어 시스템, 고용량 희석 냉장고, 나노제조 클린룸 등 정교한 구현 기술을 참석자들에게 노출시키며, 이들 중 어느 것도 일반적인 대학 환경에서는 일반적으로 볼 수 없습니다. Grassellino는 "국립 연구소가 이러한 종류의 전문가 교육 및 개발을 위한 이상적인 채널이 되는 것은 심층적인 전문 지식과 최첨단 인프라의 혼합입니다."라고 덧붙입니다.
다양한 SQMS 분야에서 고무적인 진전이 이루어지면서 Grassellino는 이미 DOE의 양자 정보 과학 이니셔티브를 위한 다음 2025년 자금 조달 주기에 관심을 돌리고 있습니다. 현재 의회에서 검토 중인 DOE의 갱신 제안은 30-XNUMX년 주기 동안 SQMS 자금이 잠재적으로 증가할 것으로 예상됩니다.
"SQMS는 이미 성공했습니다."라고 Grassellino는 결론지었습니다. “500년 전에는 빈 시설이 있었습니다. 이제 우리는 완전히 갖춰진 Quantum Garage를 갖게 되었습니다. 동시에 우리는 주요 전문가들의 국제 협력을 구축하고 양자 과학 및 공학의 여러 분야에서 XNUMX명 이상의 학생과 박사후 연구원을 교육하는 동시에 핵심 임무에 레이저 초점을 유지했습니다. 체계적으로.”
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- 출처: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/
