ABD Süper İletken Kuantum Malzemeleri ve Sistemleri (SQMS) Merkezi, kuantum hesaplama ve kuantum algılamanın pratik uygulamalarını gerçekleştirmek için Fermilab'ın öncülük ettiği kolaylaştırıcı teknolojilerden oluşan bir portföy üzerine inşa ediyor. SQMS direktörü Anna Grassellino Joe McEntee'ye Ulusal Laboratuvar çerçevesinde disiplinler arası işbirliğinin neden başarı için temel olduğunu anlatıyor
Anna Grassellino acelesi olan bir fizikçidir. 125 milyon dolarlık bir kuantum bilimi programının lideri olarak görevi, yeni nesil kuantum bilgisayarlara yönelik süper iletken malzeme ve cihazların geliştirilmesi yoluyla ABD teknoloji endüstrisi için milyarlarca dolar değerinde olabilecek bir Ar-Ge yol haritasını uygulamaktır.
RF süper iletkenliği konusunda uzman olan Grassellino, Chicago, Illinois'in eteklerinde bulunan ABD'nin önde gelen parçacık fiziği tesisi olan Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndaki Süper İletken Kuantum Malzemeler ve Sistemler (SQMS) Merkezi'nin yöneticisidir. İlk beş yıllık programı (25-2020) aracılığıyla yılda 25 milyon dolar tutarında finanse edilen SQMS, ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Ulusal Laboratuvar sistemi içindeki kuantum bilgi bilimine odaklanan beş özel araştırma merkezinden biridir (bkz. DOE Bilim Ofisi: kuantuma büyük yatırım yapmak”, aşağıda).
DOE ve SQMS'in son oyunu: geniş ölçekte bilimsel, endüstriyel ve ticari olarak benimsenme potansiyeline sahip pratik kuantum bilgisayarları ve kuantum sensörlerini geliştirmek ve dağıtmak.
İşbirliğine öncelik vermek
Bu hedefe doğru SQMS, Grassellino'ya göre "kuantum bulmacasının tüm parçalarını" ele almak için 500 ortak kurumdan (ABD ve ötesindeki ulusal laboratuvarlar, üniversiteler ve işletmeler) 30'den fazla bilim insanı ve mühendisin multidisipliner işbirliğini bir araya getiriyor. Uygulamalı ve teorik süperiletkenliği, hesaplamalı bilimi, yüksek enerji ve yoğun madde fiziğini, kriyojenikleri, mikrodalga cihazlarını ve kontrol mühendisliğini düşünün; tüm bu kolektif çaba, kuantum bilimi ve teknolojisinin çevrilmesi ve uygulanmasına doğrudan yöneliktir.
Bu son derece tutarlı kübitlerle, daha karmaşık kuantum hesaplama işlemleri eninde sonunda mümkün olacak
Anna Grassellino
SQMS araştırmacılarını meşgul eden temel sorunlardan biri kuantum tutarlılığı veya kırılgan kuantum durumlarının ömrünün mümkün olduğu kadar uzun süre (milisaniye veya mikrosaniye yerine saniyeler) nasıl korunacağıdır. Grassellino, "Kriyojenik sıcaklıklara soğutulmuş süper iletkenler kullanarak, mikrodalga fotonlarının uzun ömürlü olabileceği ve dış etkilerden korunabileceği ortamlar yaratıyoruz" diyor. Bu koşullar kuantum durumlarının oluşturulmasını, bunların manipüle edilmesini ve okunmasını mümkün kılar. Bu son derece tutarlı süper iletken kubitlerle, daha karmaşık kuantum hesaplama operasyonları eninde sonunda mümkün hale gelecek."
Grassellino hâlâ ön saflardaki bilim adamları ve mühendislerle yakın işbirliği içinde çalışıyor ve laboratuvardaki çalışmaları denetlerken, programı giderek daha fazla başka yönlere tahsis ediliyor; örneğin finansman kuruluşları ve araştırma ortaklarıyla etkileşimde bulunarak SQMS Ar-Ge projelerinin DOE kilometre taşlarına göre yolunda kalmasını sağlıyor. ve teslimatlar. "Gerçekten hoşuma giden şey, SQMS direktörü olarak sıradan bir günün olmamasıdır" diyor. "Her gün farklı."
Tesisleri büyütmek
SQMS'in ilk üç yılında Grassellino ve yönetim ekibinin operasyonel önceliği açıktı: Fermilab içindeki kuantum Ar-Ge altyapısını büyütmek. Kasım 560'ün başında resmi olarak faaliyete geçen yaklaşık 2023 metrekarelik bir SQMS laboratuvarı olan "Kuantum Garajı" buna bir örnektir. Bir düzeyde, Kuantum Garajı, altı ek seyreltme buzdolabından oluşan bir filoyla (daha önce sadece iki tane vardı) şu anda çevrimiçi olan ve SQMS deneysel programlarını ve süper iletken cihazların test, ölçüm ve karakterizasyonunu desteklemek için kriyojenik soğutma sağlayan bir kapasite geliştirme çalışmasıdır. ve alt sistemler.
Ancak Kuantum Garajı deneysel kapasite ve araştırma çıktısından çok daha fazlasını ifade ediyor. Grassellino, "Yeni tesis, bir dizi benzersiz kuantum Ar-Ge test ortamını başlatmamıza olanak sağladı" diye belirtiyor. "Bu test ortamı faaliyetleri, süper iletken kubitler ve kuantum hesaplama işlemcileri ile ilgili ayrıntılı çalışmaların yanı sıra Fermilab'ın temel fizik programını desteklemek için yüksek tutarlılık kuantum sensörlerinin geliştirilmesini de içeriyor - örneğin Standart Modelin ötesindeki parçacıkların yanı sıra karanlık madde adaylarının araştırılması ve yer çekimi dalgaları.”
Başka bir koordinatın yanı sıra, Kuantum Garajı, standartlaştırılmış test ve ölçüm protokollerinin ve kalitenin benimsenmesini sağlamak için SQMS ağındaki Ar-Ge ortakları arasında kuantum malzemelerinin, cihazların ve alt sistemlerin değişimi anlamına gelen "döngüsel işlemler" olarak adlandırılan altyapı ve personel sağlar. -güvence zincirleri. Grassellino, "ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ve Birleşik Krallık'taki Ulusal Fizik Laboratuvarı (NPL) gibi standart laboratuvarlarındaki meslektaşlarımız, bu çalışma paketinin başarısı için çok önemlidir" diye belirtiyor.
İlgili bir girişim olan Ulusal Nanofabrikasyon Görev Gücü, nanomalzemelerin işlenmesinde SQMS çabalarını geliştirmeyi ve standartlaştırmayı amaçlamaktadır. Görev gücü içinde dört SQMS ortağı (Fermilab, NIST, Northwestern Üniversitesi ve Rigetti Computing) cihaz düzeyinde üretim için sürekli bir iyileştirme programı üzerinde birlikte çalışıyor.
Grassellino, "Bu gerçekten verimli, el ele bir işbirliği" diyor. "Birbirlerinin temiz oda tesislerini ziyaret eden, malzeme 'tarifleri' ve uzmanlık bilgisi alışverişinde bulunan SQMS araştırmacılarımız ve mühendislerimiz var."
Dahası, görev gücü Fermilab, Rigetti ve NIST olmak üzere üç tesiste süper iletken kubitlerin tutarlılık sürelerini (iki kattan fazla) tekrarlanabilir şekilde artırarak başarıyı zaten kaydetti. Buradaki anahtar, yüzey dielektriklerinin (kubit performansına son derece zararlı olan) oluşumunu önleyen, SQMS'nin öncülüğünde bir yüzey kapsülleme tekniğidir.
DOE Bilim Ofisi: Kuantuma büyük yatırım
SQMS Merkezi, ABD DOE Bilim Ofisi tarafından finanse edilen beş ulusal kuantum bilgi bilimi merkezinden biridir. SQMS gibi, diğer dört merkezin her birinin kendi endüstri, akademik ve Ulusal Laboratuvar ortakları ağı vardır.
- Quantum Systems Accelerator (QSA), Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley, CA) ve Sandia Ulusal Laboratuvarları (Albuquerque, NM) baş ortağı olarak yönetilmektedir. QSA, "bilimsel uygulamalarda kuantum avantajı" sağlamak için algoritmaların, kuantum cihazlarının ve mühendislik çözümlerinin birlikte tasarlanması üzerinde çalışıyor.
- Q-NEXT, Argonne Ulusal Laboratuvarı (Lemont, IL) tarafından yönetiliyor ve kuantum malzemeleri ve cihazları için iki ulusal dökümhane oluşturmak üzere ortaklarıyla birlikte çalışıyor. Q-NEXT'in görev alanı aynı zamanda güvenli kuantum iletişimlerini, kuantum algılama ağlarını ve kuantum simülasyonu ve ağ test ortamlarının kurulmasını da içerir.
- Kuantum Bilim Merkezi (QSC), Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (Oak Ridge, TN) tarafından yönetilmektedir ve topolojik kuantum hesaplamayı (kuasipartiküller ve 2D sistemlere dayalı) mümkün kılan malzemeler tasarlamaktadır; topolojik durumları karakterize etmek ve karanlık maddeyi tespit etmek için yeni kuantum sensörlerinin uygulanması; ve kuantum materyallerini, kuantum kimyasını ve kuantum alan teorilerini araştırmak için kuantum algoritmaları ve simülasyonları tasarlamak.
- Kuantum Avantajı Ortak Tasarım Merkezi'nin (C2QA) yazılım optimizasyonunda, temel materyallerde ve cihaz özelliklerinde ve kuantum hata düzeltmesinde 10 kat iyileştirme sağlama yönünde beş yıllık bir hedefi vardır; ayrıca bu iyileştirmelerin kuantum hesaplama ve iletişim için uygun ölçümlerde 1000 kat iyileştirme sağlayacak şekilde bir araya getirilmesini sağlamak. Program Brookhaven Ulusal Laboratuvarı (Upton, NY) tarafından yönetilmektedir.
Kuantum eğitimi ve öğretimi
Kuantum Garajı aynı zamanda SQMS'in uzman kuantum iş gücünü ölçeklendirme çabalarının da merkezini oluşturuyor. Örneğin Ağustos 2023'te, 150 kuruluştan yaklaşık 70 delege, ABD'nin ilk Kuantum Bilgi Bilimi (USQIS) Okuluna katılmak üzere Fermilab'da 10 gün geçirdi. Her yıl düzenlenecek olan okulun amacı, dersler, laboratuvar zamanı, panel tartışmaları ve poster oturumlarının bir karışımı yoluyla teorik bilgi ve deneysel becerileri paylaşarak yeni nesil kuantum bilimcileri, mühendisleri ve teknisyenlerini yetiştirmektir.
Açılış okuluna katılanlar, lisans ve lisansüstü öğrencileri, eğitimcilerin yanı sıra federal laboratuvarlardan ve endüstriden bilimsel ve teknik personelin de dahil olduğu geniş bir deneyim ve geçmiş yelpazesine sahipti. Okul, SQMS tarafından organize edilip ev sahipliği yapılırken, dersler ve eğitimler, beş DOE Bilim Ofisi kuantum araştırma merkezinin tamamından 50'ye yakın uzman eğitmenin dahil olduğu kolektif bir çabaydı. (Aynı ruhla, 2024 okulunun bayrağı artık Tennessee'deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki Kuantum Bilim Merkezi'ne geçiyor.)
QUANT-NET'in test ortamı yenilikleri: kuantum ağının yeniden tasarlanması
Grassellino, "USQIS okuluyla, katılımcılara etkileşimli, uygulamalı bir öğrenme deneyimi sunan bir kuantum eğitim programı sunuyoruz; bu, hızla genişleyen alana ilgi duyanların şu anda ulaşamayacağı bir şey" diyor. Okul özellikle katılımcılara, hiçbiri tipik bir üniversite ortamında rutin olarak bulunmayan kübit kontrol sistemleri, yüksek kapasiteli seyreltme buzdolapları ve nanofabrikasyon temiz odalar dahil olmak üzere gelişmiş olanak sağlayan teknolojilerle tanıştırıyor. Grassellino, "Ulusal Laboratuvarları bu tür uzmanlık eğitimi ve gelişimi için ideal kanal haline getiren şey, derin uzmanlık ve son teknoloji altyapının karışımıdır" diye ekliyor.
Birçok SQMS cephesinde görülen cesaret verici ilerlemeyle Grassellino, şimdiden dikkatini DOE'nin kuantum bilgi bilimi girişimi için önümüzdeki beş yıllık finansman döngüsüne çeviriyor. DOE'nin (şu anda Kongre'de incelenmekte olan) önerilen yenilemesi, SQMS finansmanının 2025-30 döngüsü için potansiyel olarak artırılacağını görecek.
Grassellino, "SQMS zaten başarılı" diye bitiriyor. “Üç yıl önce boş bir tesisimiz vardı; artık tam teçhizatlı bir Kuantum Garajımız var. Aynı zamanda, önde gelen uzmanlardan oluşan uluslararası bir işbirliği oluşturduk, kuantum bilimi ve mühendisliğinin birçok alanında 500'den fazla öğrenciye ve doktora sonrası araştırmacıya eğitim verdik ve aynı zamanda temel misyona olan lazer odağımızı koruduk: süperiletken kübitlerin tutarlılığının arttırılması. sistematik bir şekilde"
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/
