El Centro de Sistemas y Materiales Cuánticos Superconductores (SQMS) de EE. UU. está aprovechando una cartera de tecnologías habilitantes iniciadas en Fermilab para realizar aplicaciones prácticas de la computación y la detección cuánticas. director SQMS Ana Grassellino le dice a Joe McEntee por qué la colaboración interdisciplinaria dentro del marco del Laboratorio Nacional es fundamental para el éxito
Anna Grassellino es una física con prisas. Como líder de un programa de ciencia cuántica de 125 millones de dólares, su misión es implementar una hoja de ruta de I+D que podría valer miles de millones de dólares para la industria tecnológica estadounidense mediante el desarrollo de materiales superconductores y dispositivos para computadoras cuánticas de próxima generación.
Grassellino, especialista en superconductividad de RF, es director del Centro de Sistemas y Materiales Cuánticos Superconductores (SQMS) del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi, la principal instalación de física de partículas de Estados Unidos en las afueras de Chicago, Illinois. Financiado con una suma de 25 millones de dólares al año a través de su programa inicial de cinco años (2020-25), SQMS es uno de los cinco centros de investigación dedicados a la ciencia de la información cuántica dentro del sistema de Laboratorio Nacional del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) (consulte “The Oficina de Ciencias del DOE: apostando fuerte por la cuántica”, más abajo).
El objetivo final del DOE y SQMS: desarrollar e implementar computadoras y sensores cuánticos prácticos con potencial para una adopción científica, industrial y comercial a escala.
Priorizar la colaboración
Para lograr ese objetivo, SQMS reúne una colaboración multidisciplinaria de más de 500 científicos e ingenieros de 30 instituciones asociadas (laboratorios nacionales, universidades y empresas en los EE. UU. y más allá) para abordar "todas las piezas del rompecabezas cuántico", según Grassellino. Piense en la superconductividad teórica y aplicada, la ciencia computacional, la física de alta energía y materia condensada, la criogenia, los dispositivos de microondas y la ingeniería de control, con todo este esfuerzo colectivo alineado directamente hacia la traducción y aplicación de la ciencia y la tecnología cuánticas.
Con estos qubits altamente coherentes, en última instancia serán posibles operaciones de computación cuántica más complejas.
Ana Grassellino
Uno de los problemas fundamentales que preocupa a los investigadores de SQMS es la coherencia cuántica, o cómo preservar la vida útil de los estados cuánticos frágiles durante el mayor tiempo posible (segundos en lugar de milisegundos o microsegundos). “Al utilizar superconductores enfriados a temperaturas criogénicas”, afirma Grassellino, “creamos entornos donde los fotones de microondas pueden tener una vida útil prolongada y estar protegidos contra perturbaciones externas. Estas condiciones permiten generar estados cuánticos, manipularlos y leerlos. Con estos qubits superconductores altamente coherentes, en última instancia serán posibles operaciones de computación cuántica más complejas”.
Si bien Grassellino todavía trabaja en estrecha colaboración con científicos e ingenieros de primera línea (supervisando el trabajo en el laboratorio), su agenda se asigna cada vez más en otras direcciones: colaborando con agencias de financiación y socios de investigación, por ejemplo, al tiempo que garantiza que los proyectos de I+D de SQMS se mantengan encaminados en comparación con los hitos del DOE. y entregables. "Lo que realmente disfruto es que no existe un día típico como directora de SQMS", dice. "Cada día es diferente."
Ampliar las instalaciones
Durante los primeros tres años de SQMS, la prioridad operativa para Grassellino y su equipo directivo fue clara: ampliar la infraestructura de I+D cuántica dentro de Fermilab. El llamado “Quantum Garage”, un laboratorio SQMS de aproximadamente 560 metros cuadrados que se inauguró formalmente a principios de noviembre de 2023, es un ejemplo de ello. En un nivel, Quantum Garage es un ejercicio de creación de capacidad, con una flota de seis refrigeradores de dilución adicionales (anteriormente solo había dos) que ahora están en línea y que brindan enfriamiento criogénico para respaldar los programas experimentales de SQMS y las pruebas, mediciones y caracterizaciones de dispositivos superconductores. y subsistemas.
Sin embargo, Quantum Garage es mucho más que capacidad experimental y rendimiento de la investigación. "La nueva instalación nos ha permitido lanzar una serie de bancos de pruebas de investigación y desarrollo cuánticos únicos", señala Grassellino. “Esas actividades del banco de pruebas incluyen estudios granulares de qubits superconductores y procesadores de computación cuántica, así como el desarrollo de sensores cuánticos de alta coherencia para respaldar el programa de física fundamental del Fermilab: la búsqueda de partículas más allá del modelo estándar, por ejemplo, así como candidatos a materia oscura. y ondas gravitacionales”.
En otra coordenada, Quantum Garage proporciona la infraestructura y el personal para los llamados “round robins”, esencialmente el intercambio de materiales, dispositivos y subsistemas cuánticos entre socios de I+D en la red SQMS para garantizar la adopción de protocolos de prueba y medición estandarizados y la calidad. -cadenas de aseguramiento. "Nuestros colegas en laboratorios de estándares como el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. y el Laboratorio Nacional de Física (NPL) del Reino Unido son cruciales para el éxito de este paquete de trabajo", señala Grassellino.
Una iniciativa relacionada, el Grupo de Trabajo Nacional sobre Nanofabricación, tiene como objetivo mejorar y estandarizar el esfuerzo SQMS en el procesamiento de nanomateriales. Dentro del grupo de trabajo, cuatro socios de SQMS (Fermilab, NIST, Northwestern University y Rigetti Computing) están trabajando juntos en un programa de mejora continua para la fabricación a nivel de dispositivos.
“Se trata de una colaboración mano a mano realmente productiva”, señala Grassellino. "Tenemos investigadores e ingenieros de SQMS que visitan las instalaciones de sala limpia de cada uno, intercambiando 'recetas' de materiales y conocimientos especializados a lo largo del camino".
Es más, el grupo de trabajo ya ha registrado éxito al aumentar de forma reproducible los tiempos de coherencia de los qubits superconductores (más de un factor de dos) en tres de los sitios: Fermilab, Rigetti y NIST. La clave aquí es una técnica de encapsulación de superficies pionera en SQMS que previene la formación de dieléctricos de superficie (que son muy perjudiciales para el rendimiento de los qubits).
La Oficina de Ciencias del DOE: apostando fuerte por la cuántica
El Centro SQMS es uno de los cinco centros nacionales de ciencia de la información cuántica financiados por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Al igual que SQMS, cada uno de los otros cuatro centros tiene su propia red de socios industriales, académicos y laboratorios nacionales.
- Quantum Systems Accelerator (QSA) está dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley, CA) con los Laboratorios Nacionales Sandia (Albuquerque, NM) como socio principal. QSA trabaja en el codiseño de algoritmos, dispositivos cuánticos y soluciones de ingeniería para ofrecer "ventajas cuánticas en aplicaciones científicas".
- Q-NEXT está dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne (Lemont, IL) y está trabajando con socios para crear dos fundiciones nacionales de materiales y dispositivos cuánticos. El cometido de Q-NEXT también incluye comunicaciones cuánticas seguras, redes de detección cuántica y el establecimiento de bancos de pruebas de redes y simulación cuántica.
- El Centro de Ciencias Cuánticas (QSC) está dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge (Oak Ridge, Tennessee) y está diseñando materiales que permiten la computación cuántica topológica (basada en cuasipartículas y sistemas 2D); implementar nuevos sensores cuánticos para caracterizar estados topológicos y detectar materia oscura; y diseñar algoritmos cuánticos y simulaciones para investigar materiales cuánticos, química cuántica y teorías cuánticas de campos.
- El Centro de Codiseño para Quantum Advantage (C2QA) tiene el objetivo de cinco años de ofrecer una mejora x10 en la optimización del software, los materiales subyacentes y las propiedades del dispositivo, y la corrección de errores cuánticos; también para garantizar que estas mejoras se combinen para proporcionar una mejora x1000 en métricas apropiadas para la computación y la comunicación cuánticas. El programa está dirigido por el Laboratorio Nacional Brookhaven (Upton, Nueva York).
Educación y formación cuántica.
El Quantum Garage es también la pieza central de los esfuerzos de SQMS para ampliar la fuerza laboral cuántica especializada. En agosto de 2023, por ejemplo, casi 150 delegados, procedentes de 70 organizaciones, pasaron 10 días en Fermilab asistiendo a la primera Escuela de Ciencias de la Información Cuántica (USQIS) de EE. UU. El objetivo de la escuela, que se llevará a cabo anualmente, es desarrollar la próxima generación de científicos, ingenieros y técnicos cuánticos compartiendo conocimientos teóricos y habilidades experimentales a través de una combinación de conferencias, tiempo de laboratorio, paneles de discusión y sesiones de carteles.
Los participantes en la escuela inaugural vinieron con una amplia gama de experiencias y antecedentes, incluidos estudiantes de pregrado y posgrado, educadores, así como personal científico y técnico de laboratorios federales y de la industria. Si bien la escuela fue organizada y auspiciada por SQMS, las conferencias y la capacitación fueron en gran medida un esfuerzo colectivo, en el que participaron cerca de 50 instructores expertos de los cinco centros de investigación cuántica de la Oficina de Ciencias del DOE. (Con ese mismo espíritu, el testigo de la escuela 2024 pasa ahora al Centro de Ciencias Cuánticas del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee).
Innovaciones del banco de pruebas de QUANT-NET: reinventar la red cuántica
"Con la escuela USQIS, ofrecemos un programa de educación cuántica que brinda a los participantes una experiencia de aprendizaje práctica e interactiva, algo que actualmente está fuera del alcance de muchos interesados en este campo en rápida expansión", señala Grassellino. En particular, la escuela expone a los asistentes a tecnologías habilitantes sofisticadas, incluidos sistemas de control de qubits, refrigeradores de dilución de alta capacidad y salas limpias de nanofabricación, ninguna de las cuales se encuentra habitualmente en un entorno universitario típico. "Es esta combinación de profunda experiencia e infraestructura de vanguardia lo que hace de los Laboratorios Nacionales el canal ideal para este tipo de formación y desarrollo especializado", añade Grassellino.
Con un progreso alentador evidente en múltiples frentes de SQMS, Grassellino ya está centrando su atención en el próximo ciclo de financiación de cinco años para la iniciativa de ciencia de la información cuántica del DOE. La renovación propuesta por el DOE, actualmente bajo revisión en el Congreso, aumentaría potencialmente la financiación de SQMS para el ciclo 2025-30.
"SQMS ya es un éxito", concluye Grassellino. “Hace tres años teníamos una instalación vacía; Ahora contamos con un Quantum Garage completamente equipado. Al mismo tiempo, hemos creado una colaboración internacional de expertos líderes, hemos capacitado a más de 500 estudiantes y postdoctorados en muchas áreas de la ciencia e ingeniería cuánticas, mientras mantenemos nuestro enfoque láser en la misión principal: aumentar la coherencia de los qubits superconductores en un manera sistemática."
- Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
- PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
- PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
- PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
- PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
- Fuente: https://physicsworld.com/a/fermilabs-sqms-center-addresses-all-aspects-of-the-quantum-puzzle/
