Het Amerikaanse Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center bouwt voort op een portfolio van ontsluitende technologieën die bij Fermilab zijn ontwikkeld om praktische toepassingen van quantum computing en quantum-sensing te realiseren. SQMS-directeur Anna Grassellino vertelt Joe McEntee waarom interdisciplinaire samenwerking binnen het National Laboratory-framework van fundamenteel belang is voor succes
Anna Grassellino is een natuurkundige met haast. Als leider van een kwantumwetenschappelijk programma ter waarde van 125 miljoen dollar is het haar taak om een R&D-routekaart te implementeren die miljarden dollars waard zou kunnen zijn voor de Amerikaanse technologie-industrie via de ontwikkeling van supergeleidende materialen en apparaten voor de volgende generatie kwantumcomputers.
Grassellino, specialist in RF-supergeleiding, is directeur van het Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center in het Fermi National Accelerator Laboratory, de vooraanstaande Amerikaanse deeltjesfysica-faciliteit aan de rand van Chicago, Illinois. SQMS wordt gefinancierd voor een bedrag van 25 miljoen dollar per jaar via het initiële vijfjarenprogramma (2020-25) en is een van de vijf toegewijde onderzoekscentra gericht op kwantuminformatiewetenschap binnen het National Laboratory-systeem van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) (zie “The DOE Office of Science: groot inzetten op kwantum”, hieronder).
Het eindspel van DOE en SQMS: het ontwikkelen en inzetten van praktische kwantumcomputers en kwantumsensoren met het potentieel voor wetenschappelijke, industriële en commerciële adoptie op grote schaal.
Prioriteit geven aan samenwerking
Om dat doel te bereiken brengt SQMS een multidisciplinaire samenwerking samen van meer dan 500 wetenschappers en ingenieurs van 30 partnerinstellingen – nationale laboratoria, universiteiten en bedrijven in de VS en daarbuiten – om “alle stukjes van de kwantumpuzzel” aan te pakken, aldus Grassellino. Denk aan toegepaste en theoretische supergeleiding, computationele wetenschap, hoge-energiefysica en fysica van de gecondenseerde materie, cryogene techniek, microgolfapparatuur en regeltechniek – waarbij al deze collectieve inspanningen regelrecht gericht zijn op de vertaling en toepassing van kwantumwetenschap en -technologie.
Met deze zeer coherente qubits zullen uiteindelijk complexere quantumcomputeroperaties mogelijk worden
Anna Grassellino
Een van de fundamentele problemen waarmee SQMS-onderzoekers zich bezighouden is kwantumcoherentie – of hoe we de levensduur van fragiele kwantumtoestanden zo lang mogelijk kunnen behouden (seconden in plaats van milliseconden of microseconden). ‘Door supergeleiders te gebruiken die zijn gekoeld tot cryogene temperaturen,’ zegt Grassellino, ‘creëren we omgevingen waarin microgolffotonen een lange levensduur kunnen hebben en bescherming kunnen bieden tegen verstoringen van buitenaf. Deze omstandigheden maken het mogelijk om kwantumtoestanden te genereren, te manipuleren en uit te lezen. Met deze zeer coherente supergeleidende qubits zullen uiteindelijk complexere quantumcomputeroperaties mogelijk worden.”
Hoewel Grassellino nog steeds nauw samenwerkt met wetenschappers en ingenieurs in de frontlinie – waarbij ze toezicht houdt op het werk in het laboratorium – wordt haar schema steeds meer in andere richtingen verdeeld – bijvoorbeeld door samenwerking met financieringsinstanties en onderzoekspartners, terwijl ze ervoor zorgt dat SQMS R&D-projecten op koers blijven ten opzichte van de DOE-mijlpalen. en leveringen. “Wat ik erg leuk vind, is dat er geen typische dag is als directeur van SQMS”, zegt ze. "Elke dag is anders."
Het opschalen van de faciliteiten
Tijdens de eerste drie jaar van SQMS was de operationele prioriteit voor Grassellino en haar managementteam duidelijk: het opschalen van de kwantum R&D-infrastructuur binnen Fermilab. De zogenaamde ‘Quantum Garage’ – een SQMS-laboratorium van ongeveer 560 vierkante meter dat begin november 2023 formeel van start ging – is daar een voorbeeld van. Op één niveau is de Quantum Garage een oefening in capaciteitsopbouw, met een vloot van zes extra verdunningskoelkasten (voorheen waren er slechts twee) die nu online zijn en cryogene koeling bieden ter ondersteuning van SQMS-experimentele programma's en het testen, meten en karakteriseren van supergeleidende apparaten. en subsystemen.
De Quantum Garage gaat echter over veel meer dan experimentele capaciteit en onderzoekscapaciteit. “De nieuwe faciliteit heeft ons in staat gesteld een reeks unieke kwantum-R&D-testbedden te lanceren”, merkt Grassellino op. “Die testbedactiviteiten omvatten granulaire studies van supergeleidende qubits en quantumcomputerprocessors, evenals de ontwikkeling van kwantumsensoren met hoge coherentie ter ondersteuning van het fundamentele natuurkundige programma van Fermilab – bijvoorbeeld op zoek naar deeltjes buiten het standaardmodel, evenals naar kandidaten voor donkere materie. en zwaartekrachtgolven.”
Langs een ander coördinaat levert de Quantum Garage de infrastructuur en het personeel voor zogenaamde ‘round robins’ – in wezen de uitwisseling van kwantummaterialen, apparaten en subsystemen tussen R&D-partners in het SQMS-netwerk om de adoptie van gestandaardiseerde test- en meetprotocollen en kwaliteit te garanderen. -verzekeringsketens. “Onze collega’s bij standaardlaboratoria zoals het Amerikaanse National Institute for Standards and Technology (NIST) en het National Physical Laboratory (NPL) in Groot-Brittannië zijn cruciaal voor het succes van dit werkpakket”, merkt Grassellino op.
Een gerelateerd initiatief – de National Nanofabrication Taskforce – heeft tot doel de SQMS-inspanningen op het gebied van de verwerking van nanomaterialen te verbeteren en te standaardiseren. Binnen de taskforce werken vier SQMS-partners – Fermilab, NIST, Northwestern University en Rigetti Computing – samen aan een continu verbeteringsprogramma voor de fabricage op apparaatniveau.
“Dit is een heel productieve, hand in hand samenwerking”, merkt Grassellino op. “We hebben SQMS-onderzoekers en -ingenieurs die elkaars cleanroomfaciliteiten bezoeken en onderweg ‘recepten’ van materialen en specialistische kennis uitwisselen.”
Bovendien heeft de taskforce al succes geboekt door de coherentietijden van supergeleidende qubits reproduceerbaar te vergroten (meer dan een factor twee) op drie van de locaties: Fermilab, Rigetti en NIST. De sleutel hier is een door SQMS ontwikkelde oppervlakte-inkapselingstechniek die de vorming van oppervlaktediëlektrica voorkomt (die zeer schadelijk zijn voor de prestaties van qubit).
Het DOE Office of Science: zet groot in op kwantum
Het SQMS Center is een van de vijf nationale centra voor kwantuminformatiewetenschap die worden gefinancierd door het Amerikaanse DOE Office of Science. Net als SQMS heeft elk van de andere vier centra zijn eigen netwerk van industriële, academische en nationale laboratoriumpartners.
- Quantum Systems Accelerator (QSA) wordt geleid door Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley, CA) met Sandia National Laboratories (Albuquerque, NM) als hoofdpartner. QSA werkt aan het gezamenlijk ontwerpen van algoritmen, kwantumapparaten en technische oplossingen om “kwantumvoordeel in wetenschappelijke toepassingen” te realiseren.
- Q-NEXT wordt geleid door het Argonne National Laboratory (Lemont, IL) en werkt samen met partners om twee nationale gieterijen voor kwantummaterialen en -apparaten op te richten. De opdracht van Q-NEXT omvat ook veilige kwantumcommunicatie, kwantumdetectienetwerken en het opzetten van kwantumsimulatie en netwerktestbedden.
- Quantum Science Center (QSC) wordt geleid door Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge, TN) en ontwerpt materialen die topologische quantum computing mogelijk maken (gebaseerd op quasideeltjes en 2D-systemen); het implementeren van nieuwe kwantumsensoren om topologische toestanden te karakteriseren en donkere materie te detecteren; en het ontwerpen van kwantumalgoritmen en simulaties om kwantummaterialen, kwantumchemie en kwantumveldtheorieën te onderzoeken.
- Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA) heeft een vijfjarig doel om een x10 verbetering te realiseren in software-optimalisatie, onderliggende materialen en apparaateigenschappen, en kwantumfoutcorrectie; ook om ervoor te zorgen dat deze verbeteringen samen een x1000 verbetering opleveren in de juiste statistieken voor kwantumberekeningen en communicatie. Het programma wordt geleid door Brookhaven National Laboratory (Upton, NY).
Kwantumonderwijs en -training
De Quantum Garage is ook het middelpunt van de inspanningen van SQMS om het gespecialiseerde kwantumpersoneel op te schalen. In augustus 2023 brachten bijvoorbeeld bijna 150 afgevaardigden, afkomstig uit 70 organisaties, tien dagen door in Fermilab om de eerste Amerikaanse Quantum Information Science (USQIS) School bij te wonen. Het doel van de school, die jaarlijks wordt gehouden, is om de volgende generatie kwantumwetenschappers, ingenieurs en technici te ontwikkelen door theoretische kennis en experimentele vaardigheden te delen via een mix van lezingen, laboratoriumtijd, paneldiscussies en postersessies.
Deelnemers aan de inaugurele school hadden een breed scala aan ervaring en achtergronden, waaronder studenten en afgestudeerden, docenten en wetenschappelijk en technisch personeel van federale laboratoria en de industrie. Hoewel de school werd georganiseerd en gehost door SQMS, waren de lezingen en trainingen grotendeels een collectieve inspanning, waarbij bijna 50 deskundige instructeurs van alle vijf de kwantumonderzoekcentra van het DOE Office of Science betrokken waren. (In diezelfde geest gaat het stokje voor de school van 2024 nu over naar het Quantum Science Center van het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.)
QUANT-NET's testbedinnovaties: het kwantumnetwerk opnieuw vormgeven
“Met de USQIS-school bieden we een kwantumonderwijsprogramma aan dat deelnemers een interactieve, praktijkgerichte leerervaring biedt – iets wat momenteel onbereikbaar is voor velen die geïnteresseerd zijn in het snel groeiende vakgebied”, merkt Grassellino op. In het bijzonder stelt de school de deelnemers bloot aan geavanceerde technologieën – waaronder qubit-controlesystemen, verdunningskoelkasten met hoge capaciteit en cleanrooms met nanofabricage – die in een typische universitaire omgeving niet routinematig voorkomen. “Het is deze mix van diepgaande expertise en geavanceerde infrastructuur die de Nationale Laboratoria tot het ideale kanaal maakt voor dit soort specialistische training en ontwikkeling”, voegt Grassellino toe.
Nu bemoedigende vooruitgang zichtbaar is op meerdere SQMS-fronten, richt Grassellino haar aandacht nu al op de volgende vijfjarige financieringscyclus voor het quantum-informatiewetenschapsinitiatief van de DOE. De door de DOE voorgestelde verlenging – die momenteel in het Congres wordt besproken – zou ervoor zorgen dat de SQMS-financiering mogelijk wordt verhoogd voor de cyclus 2025-30.
“SQMS is nu al een succes”, besluit Grassellino. “Drie jaar geleden hadden we een leegstaande faciliteit; nu hebben we een volledig uitgeruste Quantum Garage. In dezelfde tijd hebben we een internationale samenwerking van vooraanstaande experts gecreëerd, meer dan 500 studenten en postdocs opgeleid op vele gebieden van de kwantumwetenschap en -techniek, terwijl we onze laserfocus op de kernmissie hebben behouden: het vergroten van de samenhang van supergeleidende qubits in een systematische manier.”
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/
