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May 24, 2023

Die USA und Großbritannien arbeiten zusammen, um die Quanteninformationswissenschaft voranzutreiben

2. Juni 2023 | Maxwell Bernstein Die Vereinigten

2. Juni 2023 | Maxwell Bernstein

Die Vereinigten Staaten und das Vereinigte Königreich tauschen Fachwissen und Fähigkeiten auf dem blühenden Gebiet der Quanteninformationswissenschaft auf der anderen Seite des großen Teichs aus. Diese neue Partnerschaft zwischen den Ländern wird zu neuen Quantengeräten, Einblicken in ihre Leistung, Möglichkeiten zur Nutzung von Quanteninformationen und Entdeckungen in der Grundlagenphysik führen.

Die Forschung wird im Rahmen des Superconducting Quantum Materials and Systems Center durchgeführt, das vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums in Zusammenarbeit mit dem National Physical Laboratory des Vereinigten Königreichs und der Royal Holloway University of London betrieben wird. Mit den zusätzlichen Institutionen umfasst die SQMS Center-Zusammenarbeit nun insgesamt 28 Partner.

Von links nach rechts: Marius Hegedus, Tobias Lindstrom und Alexander Tzalenchuk stehen vor der Tür des Quantum Computing Lab-3 während ihres Besuchs im Hauptquartier des SQMS Centers auf dem Fermilab-Campus. Foto: SQMS Center

Diese Neuzugänge im SQMS-Zentrum basieren auf dem Ziel, die Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Quanteninformationswissenschaft zwischen den Regierungen der USA und des Vereinigten Königreichs zu verbessern. Diese Ziele wurden in einer gemeinsamen Erklärung vom November 2021 festgelegt, in der die Bedeutung des Aufbaus eines Ökosystems internationaler Partner mit gemeinsamen Werten betont wird. Die Erklärung hebt auch die Auswirkungen der Quantentechnologie auf die globale Gesundheitssicherheit, den Klimawandel und die effiziente Ressourcennutzung hervor.

„Unsere neuen britischen Partner bringen einzigartige Charakterisierungstechniken mit, die die Stärken des SQMS Centre ergänzen“, sagte Anna Grassellino, Direktorin des SQMS Centre. „Diese Partnerschaft fördert die Mission des Zentrums, grundlegende Hindernisse zu identifizieren und zu überwinden, die die Leistung von Quantengeräten beeinträchtigen, und gleichzeitig Wege zu finden, Quantengeräte zur Nutzung von Quanteninformationen zu nutzen und physikalische und sensorische Experimente durchzuführen.“

Die Quanteninformationswissenschaft versucht, das Verhalten der Quantenmechanik zu nutzen, um Informationen auf neue Weise zu verarbeiten, hochempfindliche Detektoren zu entwickeln und vieles mehr.

Im Rahmen dieser neuen Partnerschaften werden Forscher Folgendes untersuchen: Verluste von Quanteninformationen in Quantencomputergeräten, neue Systeme auf Basis von Quantentechnologien zur Suche nach neuen Teilchen, neue Quantenalgorithmen sowie die Leistung und grundlegende Grenzen von Quantencomputern.

„Die Bereiche, auf die sich das SQMS-Zentrum konzentriert, sind der Bau hochwertiger supraleitender Qubits und die Suche nach Möglichkeiten, wie dies sowohl für Quantencomputer als auch für die Grundlagenphysik skaliert werden kann“, sagte Sir Peter Knight, Vorsitzender des britischen National Quantum Technologies Program und Berater des SQMS-Zentrums Vorstandsmitglied.

Wissenschaftler werden Quantencomputer verwenden, um Qubits – den Grundbaustein der von Quantencomputern verwendeten Informationen – zu manipulieren, um Berechnungen durchzuführen, die für klassische Computer praktisch unmöglich wären, wenn die Maschinen vollständig realisiert wären.

„Supraleitende Qubits können als Quantencomputer-Engine verwendet werden, aber auch umgekehrt zur Erkennung dunkler Materie“, sagte Knight. „Quantum ist zu einem wichtigen Teil des wissenschaftlichen Abenteuers geworden, an dem jeder teilnehmen möchte, und SQMS wird ein Leuchtturm sein, wenn es darum geht, Dinge zu erledigen. NPL- und RHUL-Forscher freuen sich, Kooperationspartner des SQMS Center zu werden.“

Quantengeräte müssen gekühlt werden, um zu verhindern, dass Informationen durch durch Wärme erzeugtes Rauschen verdeckt werden oder verloren gehen. Die ultrakalte Herstellung von Geräten könnte zu einer besseren Geräteleistung und neuen Erkenntnissen über das Verhalten und die Funktionsweise von Quantengeräten führen.

RHUL betreibt Spitzenforschung im Quantenbereich und beherbergt das London Low Temperature Laboratory. Forscher am RHUL haben Erfahrung mit der Kühlung von Quantengeräten bis in den Mikrokelvin-Bereich, also auf Millionstel Grad Kelvin. Dieses Temperaturregime ist viel kälter als dort, wo Forscher normalerweise Geräte betreiben, die im Millikelvin-Bereich oder Tausendstel Grad Kelvin liegen.

„Was meine Gruppe mitbringt, ist Fachwissen in der Tieftemperaturphysik im Mikrokelvin-Bereich“, sagte John Saunders, Professor am RHUL und Mitglied des Beirats des SQMS Center. „Seit etwa 10 Jahren arbeiten wir an der Entwicklung neuer Niedertemperaturplattformen und daran, Quantenschaltkreise und Quantenmaterialien auf möglichst niedrige Temperaturen abzukühlen. Wir sind sehr daran interessiert, sie auf ultratiefe Temperaturen abzukühlen.“ „Sehen Sie, wie sie sich verhalten“, sagte Saunders.

Dieses Fachwissen im Bereich niedriger Temperaturen ergänzt die Fähigkeiten des National Physical Laboratory. Das National Physical Laboratory erfüllt eine ähnliche Funktion wie das National Institute of Standards and Technology der Vereinigten Staaten, die beide Präzisionsmessungen durchführen, um die Messstandards für ihre jeweiligen Länder aufrechtzuerhalten. NIST ist auch ein zentraler Partner im SQMS Center.

„Quantum ist zu einem wichtigen Teil des wissenschaftlichen Abenteuers geworden, an dem jeder teilnehmen möchte, und SQMS wird ein Leuchtturm sein, wenn es darum geht, Dinge zu erledigen.“ – Sir Peter Knight, Vorsitzender des britischen National Quantum Technologies Program

„Als NPL-Wissenschaftsleiter für Quantentechnologien leite ich ein Team von etwa 100 Wissenschaftlern, die an verschiedenen Aspekten der Informatik, Sensorik, Kommunikation, Messtechnik und Materialien arbeiten“, sagte Alexander Tzalenchuk, der Hauptforscher des SQMS Center für NPL. „Wir streben insbesondere danach, das Rauschen in supraleitenden Schaltkreisen, das sich auf deren ‚Quantenfähigkeit‘ auswirkt, zu verstehen und zu mildern.“ Wir arbeiten auch an Algorithmen und der Entwicklung von Technologien, die in Zukunft skalierbares Quantencomputing ermöglichen. Diese formelle Zusammenarbeit ist eines der ersten Beispiele, bei denen die beiden Länder an eng aufeinander abgestimmten Projekten zusammenarbeiten können, was durch die gemeinsame Erklärung ermöglicht wird.“

„Wir wollen Quantentechnologien nutzbar machen, um neue Werkzeuge und Fähigkeiten bereitzustellen, die sowohl unserer nationalen Initiative als auch der Welt im weiteren Sinne zugute kommen“, sagte Abid Patwa, Programmmanager für SQMS im Office of High Energy Physics des DOE. „Wir müssen mehr über die grundlegenden Aspekte von QIS lernen, wie zum Beispiel die Kryotechnik, und die zugrunde liegenden Mechanismen verstehen, die Quantencomputergeräte derzeit einschränken.“

„Das Vereinigte Königreich ist weiterhin ein hervorragender Partner der Vereinigten Staaten und verfügt über das Fachwissen sowie die wesentlichen Ressourcen, um die QIS-Grundlagen zu testen und darauf aufzubauen“, sagte Patwa. „Diese Bemühungen werden unsere Erkenntnisse in der Quantenforschung weiter vorantreiben, um diese neue Technologie zu ermöglichen.“

Das Superconducting Quantum Materials and Systems Center am Fermilab wird vom DOE Office of Science unterstützt.

Das Superconducting Quantum Materials and Systems Center ist eines der fünf nationalen Forschungszentren für Quanteninformationswissenschaft des US-Energieministeriums. Unter der Leitung des Fermi National Accelerator Laboratory ist SQMS eine Zusammenarbeit von 28 Partnerinstitutionen – nationale Labore, Hochschulen und Industrie –, die zusammenarbeiten, um transformative Fortschritte im Bereich der Quanteninformationswissenschaft zu erzielen. Das Zentrum nutzt die Expertise von Fermilab beim Bau komplexer Teilchenbeschleuniger, um Multiqubit-Quantenprozessorplattformen auf der Grundlage modernster Qubits und supraleitender Technologien zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit Partnern aus der Embedded-Industrie wird SQMS im Fermilab einen Quantencomputer und neue Quantensensoren bauen, die beispiellose Rechenmöglichkeiten eröffnen. Weitere Informationen finden Sie unter sqmscenter.fnal.gov.

Das Fermi National Accelerator Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter science.energy.gov.