美国费米实验室SQMS中心致力于解决一系列量子难题_sqms超导量子材料与系统中心-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Qforepost/article/details/136038320

内容介绍：SQMS 总监 Anna Grassellino 在费米实验室举行的“量子车库”剪彩仪式上向代表们致辞。这个实验室占地560平方米，提供专用研究设施，以支持量子计算和量子传感方面的SQMS项目。（图片来源：网络）

编辑丨慕一 编译/排版丨卉可琳梦

深度好文：2600字丨18分钟阅读

由费米实验室领导的美国超导量子材料与系统（SQMS）中心，基于费米实验室首创的一系列技术，正努力实现量子计算和量子传感的实际应用。SQMS主任Anna Grassellino认为，国家实验室框架内的跨学科合作是成功的基础。

Anna Grassellino是一位优秀的物理学家，正领导一项价值1.25亿美元的量子科学项目。她负责研发下一代量子计算机所用的超导材料与设备，旨在为美国科技产业创造数十亿美元价值的研发路线图。

Grassellino是射频超导方面的专家，也是SQMS中心的主任，该中心位于芝加哥郊区，是美国杰出的粒子物理研究场所。

在最初的五年计划（2020-2025）中，SQMS每年获得2500美元，它是美国能源部(DOE)国家实验室系统内专注于量子信息科学的五大专门研究中心之一。

美国能源部和SQMS的终极目标是：开发和部署具有大规模科学、工业和商业应用潜力的实用量子计算机和量子传感器。

Grassellino表示，为了实现这一目标，SQMS汇集了500多名科学家和工程师，多学科合作以解决一系列量子难题，这些科学家和工程师来自美国及其他地区的国家实验室、大学和企业的30个合作机构。

应用和理论超导、计算科学、高能和凝聚态物理、低温学、微波设备和控制工程——所有这些成果都将直接致力于量子科学和技术的转化与应用。

SQMS研究人员关注的基本问题之一是量子相干性，即如何尽可能长时间地维持量子态的寿命，保留几秒而不是几毫秒或几微秒。

Grassellino说：“通过使用低温超导，我们创造了新的环境，使得微波光子可以具有较长寿命并免受外部扰动，从而可以生成量子态，实现微波光子的操纵和读取。有了这些高度相干的超导量子比特，最终将实现更复杂的量子计算操作。”

在与一线科学家和工程师密切合作，监督实验室工作的同时，Grassellino在其他方向的投入也越来越多，例如与研究机构和研究伙伴合作，同时SQMS研发项目也在有条不紊的进行。她说：“作为SQMS总监，我喜欢每一天都有新鲜感。”

在SQMS的前三年，Grassellino 及其管理团队的运营重点很明确：扩大费米实验室内的量子研发基础设施。

2023年11月初正式启用的“量子车库”就是一个很好的例子，它是一个占地约560平方米的SQMS实验室。现在有六台额外的超低温稀释制冷机，可提供低温冷却，以支持SQMS实验计划以及超导器件和子系统的测试、测量和表征。

SQMS科学家在“量子车库”内搭建了一系列研发测试台，以支持费米实验室基础物理项目的超导量子比特、量子计算处理器和量子传感器的研究。（图片来源：网络）

Grassellino指出：“新设施使我们能够推出一系列独特的量子研发测试平台，借助这些测试平台，可以对超导量子比特和量子计算处理器进行精细研究，还可以开发高相干量子传感器，以支持费米实验室的基础物理计划，例如寻找标准模型之外的粒子以及暗物质和引力波。”

另一方面，“量子车库”所谓的“循环”提供基础设施和人员，本质上是在SQMS线上研发合作伙伴之间进行量子材料、设备和子系统的交换，以确保采用标准化测试和测量协议以及高质量。

Grassellino 指出：“我们在美国国家标准与技术研究所 (NIST) 和英国国家物理实验室 (NPL) 等标准实验室的同事对于该项目的成功所做出的工作至关重要。”

还有一项举措是建立国家纳米制造工作组，旨在加强和标准化SQMS在纳米材料加工方面的工作。在该工作组中，四个SQMS合作伙伴（费米实验室、NIST、美国西北大学和Rigetti Computing）正在共同制定设备级制造的持续改进计划。

Grassellino说：“这是一次非常富有成效的携手合作，我们让SQMS研究人员和工程师参观彼此的无尘室等设施，并交换材料‘配方’和专业知识。”

更重要的是，该工作组已经取得了成功，在费米实验室、Rigetti和NIST三个站点上实现可重复地增加超导量子比特的相干时间（超过两倍）。成功的关键是SQMS首创的表面封装技术，该技术可防止表面电介质的形成，它的形成对量子比特的性能非常不利。

“量子车库”也是SQMS扩大专业量子人才规模的核心地点。例如，早在2023年8月，来自70个组织的近150名代表在费米实验室度过了10天的时间，参加了美国第一所量子信息科学 (USQIS) 学校的学习。

该学校旨在通过讲座、实验、小组讨论和海报会议等方式分享理论知识和实验技能，培养下一代量子科学家、工程师和技术人员。

2023年8月，量子车库接待了近150名参加美国第一所量子信息科学(USQIS)学校的代表。（图片来源：网络）

首届参与者拥有广泛的经验和背景，包括本科生和研究生、教育工作者以及来自联邦实验室和工业界的科学和技术人员，学校有来自美国能源部五个量子科学研究中心办公室的近50名专家讲师。

rassellino 说：“通过USQIS学校，我们提出量子教育计划，为参与者提供互动的实践学习体验。USQIS能让参与者直接参与复杂的量子技术，包括量子比特控制系统、超低温稀释制冷机和纳米加工洁净室，这些技术在大学的实验环境中都不常见。国家实验室将深厚的专业知识和尖端基础设施相结合，是这类专业培训和发展的理想渠道。”

随着SQMS在多个领域取得了重大进展，Grassellino已经将注意力转向美国能源部量子信息科学计划的下一个五年资助周期。美国能源部将在2025-2030续约，增加SQMS的资金。

Grassellino总结道：“SQMS已经取得了成功。三年前，我们一贫如洗，现在我们有了一个装备齐全的‘量子车库’。我们还建立了一个由领先专家组成的国际合作组织，在量子科学和工程的许多领域培训了500多名学生和博士后。我们还一直关注于核心任务：以系统的方式提高超导量子比特的相干性。”