اخبار – در حالی که یخچال آشپزخانه شما به اندازه کافی سرد می شود تا از فاسد شدن باقیمانده هایتان جلوگیری کند، یخچال های ذوب شده برای محاسبات کوانتومی دستگاه های خنک را نزدیک به کمترین دمای فیزیکی ممکن کاوش کنید. اکنون در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده، محققان در حال ساختن کولوسوس هستند: این یخچال بزرگترین و قوی ترین یخچال میلی کلوین خواهد بود که تا کنون ساخته شده است.
Fermilab به دلیل آزمایش‌های مقیاس بزرگ خود شناخته شده است و Colossus دقیقاً در آن جا می‌شود. محققان مرکز مواد و سیستم‌های کوانتومی ابررسانا که توسط Fermilab میزبانی می‌شود، برای دستیابی به هدف خود که ساخت یک کامپیوتر کوانتومی پیشرفته است، به فضای با دمای پایین زیادی نیاز دارند.
برخلاف یخچال آشپزخانه که گازهایی به نام مبرد را برای خنک کردن غذا فشرده می کند، یخچال مایع از مخلوط هلیوم استفاده می کند. ایزوتوپ ها برای تولید دمای نزدیک به صفر مطلق یا صفر کلوین: سردترین دمای قابل تصور در فیزیک که رسیدن به آن از نظر فیزیکی غیرممکن است.
با قدرت و حجم خنک‌کننده‌ای که Colossus ارائه می‌کند، محققان SQMS فضای بی‌سابقه‌ای برای کامپیوتر کوانتومی آینده ما و خیلی چیزهای دیگر خواهند داشت. محاسبات کوانتومی مت هالیستر، کارشناس فنی ارشد در این پروژه گفت: و آزمایش های فیزیک. کولوسوس از اولین کامپیوتر قابل برنامه ریزی الکترونیکی که در دهه 1940 برای شکستن کدها ساخته شد، نامگذاری شده است. این یک رویداد تاریخی در تاریخ محاسبات بود، و به نظر می رسید نام مناسبی برای اندازه یخچال جدید ما باشد.
دانشمندان و مهندسان SQMS در حال مقابله با چالشی به نام decoherence کوانتومی هستند. Decoherence پدیده ای است که زمانی رخ می دهد که اطلاعات کوانتومی توسط نویز سیگنال پنهان می شود یا از طریق مواد تشکیل دهنده کیوبیت های فیزیکی، واحدهای اساسی یک کامپیوتر کوانتومی، گم می شود.
حفره های فلزی نیوبیم که توسط SQMS برای توسعه کیوبیت های فیزیکی بهتر استفاده می شود، ریشه در برنامه شتاب دهنده ذرات معروف Fermilab دارد. تخصص آزمایشگاه در حفره‌های ابررسانا و برودتی که برای ساختن شتاب‌دهنده‌های پیشرفته و قدرتمند ذرات ضروری است، Fermilab را به مکانی عالی برای میزبانی یکی از مراکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی DOE تبدیل کرد.
هنگامی که به هدف خود در ساخت این ماشین عظیم دست یابیم، مشتاقانه منتظر دیدن فیزیک و فیزیک باورنکردنی هستیم. محاسبات کوانتومی آزمایش هایی که همکاران محقق ما با Colossus برنامه ریزی کرده اند. – مت هالیستر، کارشناس فنی ارشد پروژه
برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی، محققان نه تنها به کیوبیت های باکیفیت متصل به یکدیگر نیاز ندارند، بلکه به مقدار زیادی از این دستگاه ها نیز نیاز دارند.
بیشتر یخچال‌های رقیق‌سازی که در دمای میلی‌کلوین کار می‌کنند، تنها کسری از فضا را در مقایسه با کولوسوس ارائه می‌کنند، که مقیاس‌پذیری را به یک مانع بزرگ برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مفید تبدیل می‌کند. کلوسوس آنقدر بزرگ خواهد بود که می تواند صدها تا هزاران حفره و کیوبیت بسیار منسجم را در خود جای دهد.
یخچال تخلیه جدید در اطراف یک مرکز بازطراحی شده ساخته خواهد شد که در ابتدا برای آزمایش اجزای آزمایش Mu2e Fermilab در دمای حدود 4K استفاده می شد. هنگامی که Colossus به طور کامل ساخته شود، 5 متر مکعب فضا و اجزای خنک کننده تا حدود 0.01K را ارائه می دهد. این در مقایسه با یخچال های تجاری استاندارد 10 برابر قدرت خنک کننده و 15 برابر حجم در این دما است.
ما در SQMS از حفره های فلزی ساخته شده از مواد ابررسانا برای انجام تحقیقات خود استفاده می کنیم. هالیستر گفت: «مواد ابررسانا برای ذخیره انرژی الکترومغناطیسی با تلفات بسیار کم عالی هستند، اما نکته مهم این است که آنها باید بسیار سرد باشند. خوشبختانه، بسته به هندسه و البته ابعاد، فضایی برای ذخیره صدها تا هزاران حفره و کیوبیت ایجاد می‌کنیم.»
ساخت کولوسوس با چالش های زیادی در ارتباط با قطر زیاد آن در حدود 2 متر روبرو بود. مانند یک کیک عروسی وارونه، حدود هفت صفحه با قطرهای فزاینده کوچکتر و دماهای سردتر از یکدیگر آویزان می شوند و ساختار برودتی کلوسوس را تشکیل می دهند.
“فریزر رقیق کننده ای در این مقیاس قبلا هرگز ساخته نشده بود. گرزگورز تاتکوفسکی، مهندس برودتی SQMS گفت: این چالش‌های فنی متعددی را ارائه می‌کند که تیم ما روی آن کار می‌کند. ما در حال طراحی کولوسوس برای یک محموله نسبتاً بزرگ از نظر جرم هستیم و اطمینان از رسیدن هر صفحه به مشخصات دمایی دقیق مورد نیاز برای این پروژه یک چالش است.
برای ساخت آن، تکنسین‌ها تأسیسات برودتی و اتاق کنترل را که در ابتدا برای آشکارساز برخورددهنده معروف در آزمایش Fermilab مورد استفاده قرار می‌گرفت، دوباره پیکربندی می‌کنند، که داده‌هایی را برای محققان فراهم می‌کرد تا کوارک بالایی را شناسایی کنند و همچنین اندازه‌گیری اخیر جرم W-بوزون را ارائه می‌کرد.
“این یک چالش برودتی بسیار متفاوت از آنچه من در زمان کار با آن روبرو بودم است نوترینو کریس جیمز، مهندس برودتی، گفت: بخش در Fermilab. ما در آنجا با مخازن عظیمی کار کردیم که می توانستند چندین تن آرگون مایع فوق خالص را برای شناسایی ذرات ریز به نام نوترینو در خود جای دهند. در اینجا من با هلیوم مایع کار می کنم که حدود 0.01K است که حدود 10000 برابر سردتر از آرگون مایع است.
برای نهایی کردن طراحی و مشخصات Colossus، تیم SQMS یک فرآیند بررسی کامل اجزای یخچال را انجام داد. این تیم انتظار دارد سفارشات عمده خود را در تابستان 2023 آغاز کند.
هنگامی که به هدف خود در ساخت این ماشین عظیم دست یابیم، مشتاقانه منتظر دیدن فیزیک و فیزیک باورنکردنی هستیم. محاسبات کوانتومی آزمایش‌هایی که همکاران محقق ما با کولوسوس برنامه‌ریزی کرده‌اند، گفت: هالیستر. “تیم Colossus برای ساخت اولین ماشین در نوع خود هیجان زده است تا آزمایش های آینده ما را فعال کند و دستگاه های محاسباتی ایجاد کند که دانش و قابلیت ها را ارتقا دهد.”
مرکز مواد و سیستم های کوانتومی ابررسانا در Fermilab توسط دفتر علوم DOE پشتیبانی می شود.
مرکز مواد و سیستم های کوانتومی ابررسانا یکی از پنج مرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی وزارت انرژی ایالات متحده است. SQMS که توسط آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی هدایت می شود، با همکاری 23 موسسه شریک – آزمایشگاه های ملی، دانشگاه ها و صنعت – با هم کار می کنند تا پیشرفت های تحول آفرین در علم اطلاعات کوانتومی را ارائه دهند. این مرکز از تخصص Fermilab در ساخت شتاب دهنده های ذرات پیچیده برای طراحی پلتفرم های چند کیوبیتی برای پردازنده های کوانتومی بر اساس فناوری های پیشرفته کیوبیت و ابررسانا استفاده می کند. SQMS با همکاری دست در دست با شرکای صنعتی تعبیه شده، یک کامپیوتر کوانتومی و حسگرهای کوانتومی جدید در Fermilab می‌سازد و امکانات محاسباتی بی‌سابقه‌ای را برای شما ایجاد می‌کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به sqms.fnal.gov.
آزمایشگاه ملی فرمی توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Science.energy.gov.
