Ameriški center za superprevodne kvantne materiale in sisteme (SQMS) gradi na portfelju omogočajočih tehnologij, ki so bile pionirsko uvedene v Fermilabu, za uresničitev praktičnih aplikacij kvantnega računalništva in kvantnega zaznavanja. direktor SQMS Anna Grassellino pove Joeju McEnteeju, zakaj je meddisciplinarno sodelovanje v okviru nacionalnega laboratorija temeljnega pomena za uspeh
Anna Grassellino je fizičarka, ki se ji mudi. Kot vodja 125 milijonov dolarjev vrednega programa kvantne znanosti je njena naloga uresničiti načrt raziskav in razvoja, ki bi bil lahko vreden milijarde dolarjev za ameriško tehnološko industrijo prek razvoja superprevodnih materialov in naprav za kvantne računalnike naslednje generacije.
Grassellino, specialist za RF superprevodnost, je direktor Centra za superprevodne kvantne materiale in sisteme (SQMS) v Fermi National Accelerator Laboratory, vodilni ameriški ustanovi za fiziko delcev na obrobju Chicaga v Illinoisu. SQMS, financiran v višini 25 milijonov USD na leto prek svojega začetnega petletnega programa (2020–25), je eden od petih namenskih raziskovalnih centrov, ki se osredotočajo na kvantno informacijsko znanost v sistemu nacionalnega laboratorija Ministrstva za energijo ZDA (DOE) (glejte »The Urad za znanost DOE: velike stave na kvant, spodaj).
Končna igra DOE in SQMS: razviti in uvesti praktične kvantne računalnike in kvantne senzorje s potencialom za znanstveno, industrijsko in komercialno uporabo v velikem obsegu.
Dajanje prednosti sodelovanju
Za dosego tega cilja SQMS združuje multidisciplinarno sodelovanje več kot 500 znanstvenikov in inženirjev iz 30 partnerskih institucij – nacionalnih laboratorijev, univerz in podjetij v ZDA in drugod –, da bi obravnavali »vse dele kvantne uganke«, pravi Grassellino. Pomislite na uporabno in teoretično superprevodnost, računalniško znanost, fiziko visokih energij in kondenziranih snovi, kriogeniko, mikrovalovne naprave in krmilno tehniko – pri čemer so vsa ta skupna prizadevanja neposredno usmerjena v prevod in uporabo kvantne znanosti in tehnologije.
S temi zelo koherentnimi kubiti bodo končno možne bolj zapletene kvantne računalniške operacije
Anna Grassellino
Eden od temeljnih problemov, ki skrbi raziskovalce SQMS, je kvantna koherenca – ali kako ohraniti življenjsko dobo krhkih kvantnih stanj čim dlje (sekunde namesto milisekund ali mikrosekund). »Z uporabo superprevodnikov, ohlajenih na kriogene temperature,« pravi Grassellino, »ustvarjamo okolja, kjer imajo lahko mikrovalovni fotoni dolgo življenjsko dobo in zaščito pred zunanjimi motnjami. Ti pogoji omogočajo ustvarjanje kvantnih stanj, manipulacijo z njimi in njihovo branje. S temi zelo koherentnimi superprevodnimi kubiti bodo končno postale možne bolj zapletene kvantne računalniške operacije.«
Medtem ko Grassellino še vedno tesno sodeluje z znanstveniki in inženirji na prvi liniji – nadzoruje delo v laboratoriju – je njen urnik vedno bolj razporejen v druge smeri – na primer sodeluje z agencijami za financiranje in raziskovalnimi partnerji, hkrati pa zagotavlja, da projekti raziskav in razvoja SQMS ostajajo na dobri poti v primerjavi z mejniki DOE. in končne rezultate. »V resnici uživam v tem, da kot direktorica SQMS ni običajnega dneva,« pravi. "Vsak dan je drugačen."
Povečanje zmogljivosti
V prvih treh letih SQMS je bila operativna prednostna naloga za Grassellino in njeno vodstveno ekipo jasna: povečati kvantno raziskovalno-razvojno infrastrukturo znotraj Fermilaba. Primer tega je tako imenovana »Kvantna garaža« – približno 560 kvadratnih metrov velik laboratorij SQMS, ki je uradno začel delovati v začetku novembra 2023. Na eni ravni je Quantum Garage vaja za krepitev zmogljivosti s floto šestih dodatnih hladilnikov za redčenje (prej sta bila samo dva), ki so zdaj na spletu in zagotavljajo kriogeno hlajenje za podporo eksperimentalnim programom SQMS ter testiranje, merjenje in karakterizacijo superprevodnih naprav. in podsistemi.
Vendar je Quantum Garage veliko več kot le eksperimentalna zmogljivost in prepustnost raziskav. »Novi objekt nam je omogočil lansiranje serije edinstvenih kvantnih preskusnih postaj za raziskave in razvoj,« ugotavlja Grassellino. »Te dejavnosti preizkušanja vključujejo natančne študije superprevodnih kubitov in kvantnih računalniških procesorjev ter razvoj kvantnih senzorjev z visoko koherentnostjo za podporo Fermilabovega temeljnega fizikalnega programa – iskanje delcev zunaj standardnega modela, na primer, kot tudi kandidatov za temno snov. in gravitacijski valovi."
Na drugi koordinati Quantum Garage zagotavlja infrastrukturo in osebje za tako imenovane "round robins" - v bistvu izmenjavo kvantnih materialov, naprav in podsistemov med partnerji za raziskave in razvoj v omrežju SQMS, da se zagotovi sprejetje standardiziranih preskusnih in merilnih protokolov ter kakovosti -zagotovitvene verige. »Naši kolegi v laboratorijih za standarde, kot sta Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo ZDA (NIST) in Nacionalni fizikalni laboratorij (NPL) v Združenem kraljestvu, so ključnega pomena za uspeh tega delovnega paketa,« ugotavlja Grassellino.
Povezana pobuda – Nacionalna delovna skupina za nanofabrikacije – je namenjena izboljšanju in standardizaciji prizadevanj SQMS pri predelavi nanomaterialov. Znotraj delovne skupine štirje partnerji SQMS – Fermilab, NIST, Northwestern University in Rigetti Computing – sodelujejo pri programu nenehnih izboljšav za izdelavo na ravni naprave.
»To je resnično produktivno sodelovanje z roko v roki,« ugotavlja Grassellino. "Imamo raziskovalce in inženirje SQMS, ki obiskujejo objekte čistih prostorov drug drugega in si na poti izmenjujejo "recepte" za materiale in strokovno znanje."
Še več, delovna skupina je že zabeležila uspeh s ponovljivim povečanjem koherentnih časov superprevodnih kubitov (več kot faktor dva) na treh lokacijah – Fermilab, Rigetti in NIST. Ključna pri tem je tehnika površinske inkapsulacije, ki jo je razvil SQMS in preprečuje nastanek površinskih dielektrikov (ki so zelo škodljivi za delovanje kubita).
Urad za znanost DOE: veliko stavite na kvant
Center SQMS je eden od petih nacionalnih centrov kvantne informacijske znanosti, ki jih financira Urad za znanost ameriškega ministrstva za energijo. Tako kot SQMS ima vsak od ostalih štirih centrov lastno mrežo industrijskih, akademskih partnerjev in partnerjev nacionalnega laboratorija.
- Quantum Systems Accelerator (QSA) vodi Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley, CA) z Sandia National Laboratories (Albuquerque, NM) kot vodilnim partnerjem. QSA dela na sooblikovanju algoritmov, kvantnih naprav in inženirskih rešitev za zagotavljanje "kvantne prednosti v znanstvenih aplikacijah".
- Q-NEXT vodi Argonne National Laboratory (Lemont, IL) in sodeluje s partnerji pri ustvarjanju dveh nacionalnih livarn za kvantne materiale in naprave. Delo Q-NEXT vključuje tudi varne kvantne komunikacije, omrežja kvantnega zaznavanja ter vzpostavitev kvantne simulacije in omrežnih testnih postaj.
- Quantum Science Center (QSC) vodi Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge, TN) in oblikuje materiale, ki omogočajo topološko kvantno računalništvo (na podlagi kvazidelcev in 2D sistemov); implementacija novih kvantnih senzorjev za karakterizacijo topoloških stanj in zaznavanje temne snovi; in oblikovanje kvantnih algoritmov in simulacij za raziskovanje kvantnih materialov, kvantne kemije in kvantnih teorij polja.
- Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA) ima petletni cilj doseči 10-kratno izboljšavo optimizacije programske opreme, osnovnih materialov in lastnosti naprav ter kvantno odpravljanje napak; tudi za zagotovitev, da se te izboljšave združijo v x1000 izboljšavo ustreznih meritev za kvantno računanje in komunikacijo. Program vodi Brookhaven National Laboratory (Upton, NY).
Kvantno izobraževanje in usposabljanje
Quantum Garage je tudi osrednji del prizadevanj SQMS za povečanje strokovne kvantne delovne sile. Avgusta 2023 je na primer skoraj 150 delegatov iz 70 organizacij preživelo 10 dni v Fermilabu in se udeležilo prve ameriške šole kvantne informacijske znanosti (USQIS). Cilj šole, ki bo potekala vsako leto, je razviti naslednjo generacijo kvantnih znanstvenikov, inženirjev in tehnikov z izmenjavo teoretičnega znanja in eksperimentalnih veščin skozi mešanico predavanj, laboratorijskih ur, panelnih razprav in posterjev.
Udeleženci uvodne šole so prišli s širokim naborom izkušenj in izkušenj, vključno z dodiplomskimi in podiplomskimi študenti, učitelji ter znanstvenim in tehničnim osebjem iz zveznih laboratorijev in industrije. Medtem ko je šolo organiziral in gostil SQMS, so bila predavanja in usposabljanje v veliki meri skupno prizadevanje, ki je vključevalo skoraj 50 strokovnih inštruktorjev iz vseh petih centrov za kvantne raziskave Urada za znanost DOE. (V istem duhu štafetno palico za šolo 2024 zdaj prehaja k Quantum Science Center v Oak Ridge National Laboratory v Tennesseeju.)
Inovacije na testni napravi QUANT-NET: preoblikovanje kvantnega omrežja
»S šolo USQIS ponujamo kvantni izobraževalni program, ki udeležencem omogoča interaktivno, praktično učno izkušnjo – podobna tej je trenutno nedosegljiva za mnoge, ki jih zanima hitro rastoče področje,« ugotavlja Grassellino. Šola udeležence izpostavi zlasti sofisticiranim omogočitvenim tehnologijam – vključno s sistemi za nadzor kubitov, visokozmogljivimi hladilniki za redčenje in čistimi prostori za nanofabrikacije – od katerih nobene rutinsko ne najdemo v tipičnem univerzitetnem okolju. »Prav zaradi te mešanice globokega strokovnega znanja in vrhunske infrastrukture so nacionalni laboratoriji idealen kanal za tovrstno specialistično usposabljanje in razvoj,« dodaja Grassellino.
S spodbudnim napredkom, ki je očiten na več frontah SQMS, Grassellino že usmerja svojo pozornost na naslednji petletni cikel financiranja pobude DOE za kvantno informacijsko znanost. Obnova, ki jo predlaga DOE – ki je trenutno v pregledu v kongresu – bi potencialno povečala financiranje SQMS za cikel 2025–30.
"SQMS je že uspešen," zaključuje Grassellino. »Pred tremi leti smo imeli prazen objekt; zdaj imamo popolnoma opremljeno Quantum Garage. V istem času smo ustvarili mednarodno sodelovanje vodilnih strokovnjakov, usposobili več kot 500 študentov in podoktorjev na številnih področjih kvantne znanosti in inženiringa, hkrati pa ohranili svojo lasersko osredotočenost na glavno nalogo: povečanje koherence superprevodnih kubitov v sistematičen način."
- Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
- PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
- PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
- vir: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/
