US Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center bygger på en portefølje av muliggjørende teknologier som ble banebrytende hos Fermilab for å realisere praktiske anvendelser av kvanteberegning og kvantesansing. SQMS direktør Anna Grassellino forteller Joe McEntee hvorfor tverrfaglig samarbeid innenfor National Laboratory-rammeverket er grunnleggende for suksess
Anna Grassellino er en fysiker som har det travelt. Som leder av et kvantevitenskapsprogram på 125 millioner dollar, er hennes oppgave å implementere et FoU-veikart som kan være verdt milliarder av dollar for den amerikanske teknologiindustrien via utvikling av superledende materialer og enheter for neste generasjons kvantedatamaskiner.
Grassellino, en spesialist i RF-superledning, er direktør for Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center ved Fermi National Accelerator Laboratory, det fremtredende amerikanske partikkelfysikkanlegget i utkanten av Chicago, Illinois. SQMS er finansiert med 25 millioner dollar i året gjennom det første femårige programmet (2020–25), og er et av fem dedikerte forskningssentre fokusert på kvanteinformasjonsvitenskap innenfor det amerikanske energidepartementets (DOE) nasjonale laboratoriesystem (se "The DOE Office of Science: satser stort på kvante", nedenfor).
DOE og SQMS sluttspillet: å utvikle og distribuere praktiske kvantedatamaskiner og kvantesensorer med potensial for vitenskapelig, industriell og kommersiell adopsjon i stor skala.
Prioritere samarbeid
Mot dette målet samler SQMS et tverrfaglig samarbeid av mer enn 500 forskere og ingeniører fra 30 partnerinstitusjoner – nasjonale laboratorier, universiteter og virksomheter i USA og utover – for å løse «alle bitene i kvantepuslespillet», ifølge Grassellino. Tenk på anvendt og teoretisk superledning, beregningsvitenskap, høyenergi- og kondensert materiefysikk, kryogenikk, mikrobølgeenheter og kontrollteknikk – med all denne kollektive innsatsen rettet mot oversettelse og anvendelse av kvantevitenskap og -teknologi.
Med disse svært koherente qubits vil mer komplekse kvantedatabehandling til slutt bli mulig
Anna Grassellino
Et av de grunnleggende problemene som opptar SQMS-forskere er kvantekoherens – eller hvordan man kan bevare levetiden til skjøre kvantetilstander så lenge som mulig (sekunder i stedet for millisekunder eller mikrosekunder). "Ved å bruke superledere avkjølt til kryogene temperaturer," sier Grassellino, "skaper vi miljøer der mikrobølgefotoner kan ha lang levetid og beskyttelse mot eksterne forstyrrelser. Disse forholdene gjør det mulig å generere kvantetilstander, manipulere dem og lese dem ut. Med disse svært koherente superledende qubits, vil mer komplekse kvantedatabehandlingsoperasjoner til slutt bli mulig."
Mens Grassellino fortsatt jobber tett med forskere og ingeniører i frontlinjen – og overvåker arbeidet i laboratoriet – blir timeplanen hennes i økende grad allokert i andre retninger – for eksempel å engasjere seg med finansieringsbyråer og forskningspartnere, samtidig som hun sikrer at SQMS FoU-prosjekter forblir på rett spor versus DOE-milepæler og leveranser. "Det jeg virkelig liker er at det ikke er noen typisk dag som SQMS-direktør," sier hun. "Hver dag er forskjellig."
Oppskalering av fasilitetene
I løpet av de første tre årene med SQMS var den operasjonelle prioriteringen for Grassellino og hennes ledergruppe klar: å skalere opp kvante-FoU-infrastrukturen i Fermilab. Den såkalte «Quantum Garage» – et rundt 560 kvadratmeter stort SQMS-laboratorium som formelt ble lansert i begynnelsen av november 2023 – er et eksempel. På ett nivå er Quantum Garage en øvelse i kapasitetsbygging, med en flåte på seks ekstra fortynningskjøleskap (tidligere var det bare to) nå online og gir kryogen kjøling for å støtte SQMS eksperimentelle programmer og test, måling og karakterisering av superledende enheter og delsystemer.
Quantum Garage handler imidlertid om mye mer enn eksperimentell kapasitet og forskningsgjennomstrømning. "Det nye anlegget har gjort oss i stand til å lansere en serie unike kvante-FoU-testbed," bemerker Grassellino. "Disse testbed-aktivitetene inkluderer granulære studier av superledende qubits og kvantedatabehandlingsprosessorer samt utvikling av kvantesensorer med høy koherens for å støtte Fermilabs grunnleggende fysikkprogram - søk etter partikler utenfor standardmodellen, for eksempel, så vel som mørk materie-kandidater og gravitasjonsbølger."
Sammen med et annet koordinat, gir Quantum Garage infrastrukturen og personellet for såkalte "round robins" - i hovedsak utveksling av kvantematerialer, enheter og delsystemer mellom FoU-partnere i SQMS-nettverket for å sikre vedtakelse av standardiserte test- og måleprotokoller og kvalitet -forsikringskjeder. "Våre kolleger ved standardlaboratorier som US National Institute for Standards and Technology (NIST) og National Physical Laboratory (NPL) i Storbritannia er avgjørende for suksessen til denne arbeidspakken," bemerker Grassellino.
Et relatert initiativ - National Nanofabrication Taskforce - har som mål å forbedre og standardisere SQMS-innsatsen i nanomaterialbehandling. Innenfor arbeidsgruppen jobber fire SQMS-partnere – Fermilab, NIST, Northwestern University og Rigetti Computing – sammen om et kontinuerlig forbedringsprogram for fabrikasjon på enhetsnivå.
"Dette er et veldig produktivt, hånd-i-hånd-samarbeid," bemerker Grassellino. "Vi har SQMS-forskere og ingeniører som besøker hverandres renromsfasiliteter, utveksler "materialeoppskrifter" og spesialistkunnskap underveis."
I tillegg har arbeidsstyrken allerede registrert suksess ved å reproduserbart øke koherenstiden for superledende qubits (mer enn en faktor på to) på tre av stedene – Fermilab, Rigetti og NIST. Nøkkelen her er en SQMS-banebrytende overflateinnkapslingsteknikk som forhindrer dannelsen av overflatedielektrikk (som er svært skadelig for qubit-ytelsen).
DOE Office of Science: satser stort på kvante
SQMS Center er et av fem nasjonale vitenskapssentre for kvanteinformasjon finansiert av US DOE Office of Science. I likhet med SQMS har hvert av de fire andre sentrene sitt eget nettverk av industri-, akademiske og nasjonale laboratoriepartnere.
- Quantum Systems Accelerator (QSA) ledes av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley, CA) med Sandia National Laboratories (Albuquerque, NM) som hovedpartner. QSA jobber med å samdesigne algoritmer, kvanteenheter og tekniske løsninger for å levere "kvantefordeler i vitenskapelige applikasjoner".
- Q-NEXT ledes av Argonne National Laboratory (Lemont, IL) og jobber med partnere for å lage to nasjonale støperier for kvantematerialer og -enheter. Q-NEXTs oppdrag inkluderer også sikker kvantekommunikasjon, kvantesensornettverk og etablering av kvantesimulering og nettverkstestbed.
- Quantum Science Center (QSC) ledes av Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge, TN) og designer materialer som muliggjør topologisk kvanteberegning (basert på kvasipartikler og 2D-systemer); implementere nye kvantesensorer for å karakterisere topologiske tilstander og oppdage mørk materie; og designe kvantealgoritmer og simuleringer for å undersøke kvantematerialer, kvantekjemi og kvantefeltteorier.
- Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA) har et femårig mål om å levere en x10 forbedring i programvareoptimalisering, underliggende materialer og enhetsegenskaper og kvantefeilkorreksjon; også for å sikre at disse forbedringene kombineres for å gi en x1000-forbedring i passende beregninger for kvanteberegning og kommunikasjon. Programmet ledes av Brookhaven National Laboratory (Upton, NY).
Kvanteutdanning og opplæring
Quantum Garage er også midtpunktet for SQMS innsats for å skalere spesialistkvantearbeidsstyrken. Tilbake i august 2023, for eksempel, tilbrakte nesten 150 delegater, trukket fra 70 organisasjoner, 10 dager på Fermilab på den første amerikanske Quantum Information Science (USQIS)-skolen. Målet med skolen, som arrangeres årlig, er å utvikle neste generasjon kvanteforskere, ingeniører og teknikere ved å dele teoretisk kunnskap og eksperimentelle ferdigheter gjennom en blanding av forelesninger, laboratorietid, paneldiskusjoner og postersesjoner.
Deltakere på den første skolen kom med et bredt spekter av erfaring og bakgrunn, inkludert studenter og hovedfagsstudenter, lærere, samt vitenskapelig og teknisk personell fra føderale laboratorier og industri. Mens skolen ble organisert og arrangert av SQMS, var forelesningene og opplæringen i stor grad en kollektiv innsats, som involverte nærmere 50 ekspertinstruktører fra alle fem kvanteforskningssentrene fra DOE Office of Science. (I samme ånd går stafettpinnen for 2024-skolen nå til Quantum Science Center ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee.)
QUANT-NETs testbed-innovasjoner: reimagining av kvantenettverket
"Med USQIS-skolen tilbyr vi et kvanteutdanningsprogram som gir deltakerne en interaktiv, praktisk læringsopplevelse - slike som for øyeblikket er utenfor rekkevidde for mange som er interessert i det raskt voksende feltet," bemerker Grassellino. Spesielt utsetter skolen deltakerne for sofistikerte muliggjørende teknologier – inkludert qubit-kontrollsystemer, høykapasitets fortynningskjøleskap og rene rom for nanofabrikasjon – ingen av dem finnes rutinemessig i en typisk universitetssetting. "Det er denne blandingen av dyp ekspertise og banebrytende infrastruktur som gjør National Laboratories til den ideelle kanalen for denne typen spesialistopplæring og utvikling," legger Grassellino til.
Med oppmuntrende fremgang synlig langs flere SQMS-fronter, retter Grassellino allerede oppmerksomheten mot den neste femårige finansieringssyklusen for DOEs kvanteinformasjonsvitenskapelige initiativ. DOEs foreslåtte fornyelse – for øyeblikket under vurdering i kongressen – vil se SQMS-finansiering potensielt forsterket for syklusen 2025-30.
"SQMS er allerede en suksess," konkluderer Grassellino. «For tre år siden hadde vi et tomt anlegg; nå har vi en fullt utstyrt Quantum Garage. Samtidig har vi skapt et internasjonalt samarbeid med ledende eksperter, trent opp mer enn 500 studenter og postdoktorer innen mange områder innen kvantevitenskap og ingeniørfag, samtidig som vi opprettholder laserfokuset vårt på kjerneoppdraget: å øke sammenhengen mellom superledende qubits i en systematisk måte."
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/
