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《英国代表团访问美国费米国家加速器实验室，就量子网络研究进行合作》

  • 来源专题：计量基标准与精密测量
  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2024-02-29

  • 研究人员正在世界各地合作，使用量子科学对信息进行编码，以执行强大的计算并在网络中分发信息。

    11月15日，英国研究人员代表团访问了美国能源部费米国家加速器实验室，亲眼目睹了该实验室为推进量子信息科学所做的努力。

    英国和美国在量子研究合作方面并不陌生。2021年，美国和英国发表联合声明，为两国合作应对量子信息科学领域的一些最大挑战奠定了基础。

    代表团代表了来自英国政府、工业界和学术界的量子科学与技术研究人员。他们会见了费米实验室的领导团队，并讨论了在量子网络方面进行合作的机会。

    新兴技术理事会实验室副主任Panagiotis Spentzouris详细介绍了实验室在量子网络方面的工作。

    费米实验室是伊利诺伊州快速量子网络的领导机构。代表团参观了费米实验室的量子网络实验室，这是费米实验室提供的两个IEQNET节点之一。该网络通过光纤电缆在费米实验室和阿贡国家实验室之间，以及西北大学芝加哥校区和国立大学埃文斯顿校区之间分发纠缠的量子信息。有了这个网络，研究人员正在为量子互联网奠定基础。特别是，他们可以测试连接到这个网络的不同量子系统。

    代表团还参观了费米实验室超导量子材料与系统中心的实验室空间。它是通过2018年《国家量子倡议法案》签署成立的五个美国能源部国家量子信息科学研究中心之一。今年早些时候，两家英国机构，皇家霍洛威大学和国家物理实验室，受邀加入SQMS中心的30家合作机构。目前正在制定合作研究和发展协议，以促成这些重要的新伙伴关系。

    在参观了最近落成的SQMS量子车库后，代表团以与费米实验室领导团队的闭幕式结束了他们的访问。

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  • 《美国费米国家加速器实验室（FNAL）超导量子材料和系统中心（SQMS）研究人员在传输量子比特研究方面取得进展》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-06-12
    • 近日，美国能源部费米国家加速器实验室超导量子材料与系统中心的科学家和工程师，?已经以0.6毫秒的记录值实现了超导transmon量子位寿命的可重复改进。这一结果是通过一种创新的材料技术实现的，该技术消除了器件中的一个主要损耗源。 这些结果已发表在《Nature Partner Journal Quantum Information》期刊上。 量子器件如量子位对于存储和操纵量子信息至关重要。量子位的寿命，即相干时间，决定了在错误发生之前数据可以存储和处理多长时间。这种现象被称为量子退相干，是操作量子处理器和传感器的关键障碍。 这种被称为“表面封装”的新工艺在制造过程中保护量子位的关键层，并防止在这些器件的表面和界面形成有问题的“有损”氧化物。通过仔细研究和比较各种材料和沉积技术，SQMS研究人员研究了不同的氧化物，这些氧化物可以延长量子位的寿命，减少损耗。 费米实验室的高级科学家、SQMS中心量子技术推进负责人Alexander Romanenko说：“SQMS正在突破量子位性能的极限。”。“这些努力表明，对工艺和材料进行系统审查，并首先解决最重要的问题，是推动量子位相干性的关键。追求器件制造和表征，与材料科学携手合作，是深化我们对损耗机制的科学理解，并在未来改进量子器件的正确方法。” 量子位最大的障碍：相干时间 量子位有很多种类型。量子计算机的这些基本构建块处理信息的方式与经典计算机不同，而且可能更快。量子位存储量子信息的时间越长，它在量子计算机中的应用潜力就越大。 自2020年成立以来，SQMS研究团队一直致力于了解transmon量子位中误差和退相干的来源。这种类型的量子位在由衬底（如硅或蓝宝石）顶部的金属铌层组成的芯片上图案化。许多人认为这些超导量子位是量子计算机最先进的平台。美国和世界各地的科技公司也在探索它们。 然而，科学家们仍然必须克服一些挑战，量子计算机才能实现他们解决以前无法解决的问题的承诺。用于创建这些量子位的材料的特定特性可能导致量子信息的退相干。在SQMS，对这些特性和损失缓解策略进行更深入的科学理解是一个活跃的研究领域。 为了使量子位使用寿命更长，请关注材料 研究transmon量子位损耗的SQMS科学家指出，铌表面是罪魁祸首。这些量子位是在真空中制造的，但当暴露在空气中时，铌表面会形成氧化物。尽管这个氧化物层很薄——只有大约5纳米——但它是能量损失的主要来源，并导致更短的相干时间。 Romanenko说：“我们之前的测量表明，铌是这些量子位的最佳超导体。虽然金属损耗接近零，但铌表面氧化物是有问题的，也是这些电路损耗的主要驱动因素。”。 SQMS的科学家们建议在制造过程中对铌进行封装，使其永远不会暴露在空气中，因此不会形成氧化物。虽然他们对哪种材料最适合封盖有一个假设，但确定最佳材料需要进行详细研究。因此，他们用不同的材料，包括铝、钽、氮化钛和金，系统地测试了这项技术。 每次尝试覆盖层时，SQMS的科学家都会在费米实验室、埃姆斯国家实验室、西北大学和坦普尔大学的材料科学实验室使用几种先进的表征技术分析材料。量子比特的性能是在费米实验室SQMS量子车库的稀释冰箱内测量的。这种低温设备将量子位冷却到绝对零度以上一点点。结果表明，与没有覆盖层（包含氧化铌层）的样品相比，研究人员可以制备出相干提高2到5倍的量子位。 研究小组发现，封端过程提高了研究中探索的所有材料的一致性时间。在这些材料中，钽和金被证明是实现更高相干时间的最有效材料，平均相干时间为0.3毫秒，最大相干时间高达0.6毫秒。这些结果进一步揭示了这些量子位中损耗的性质、层次和机制。发现它们是由非晶氧化物和界面的存在所驱动的。 “在制造量子位时，有许多或多或少隐藏的变量会影响性能，”费米实验室的科学家、SQMS纳米制造小组和工作组负责人Mustafa Bal说。“这是第一次在不同的制造设施中，在固定几何形状的芯片上，一次非常仔细地比较一种材料变化和一种工艺变化。这种方法确保了我们开发出可重复的技术来提高量子位的性能。” 连贯时间：我们已经走了多远 作为SQMS中心国家纳米制造工作组的一部分，这些团队在不同的设施中制造和测试量子位。费米实验室领导了由Bal领导的SQMS纳米制造小组，在芝加哥大学普利兹克纳米制造厂制造量子位。其他设施包括拥有量子铸造厂的量子计算公司Rigetti Computing和美国国家标准与技术研究所博尔德实验室。两者都是SQMS中心的旗舰合作伙伴。在Rigetti的商业铸造厂制造芯片证明，该技术易于在行业中复制和扩展。 Rigetti计算机公司量子系统高级副总裁Andrew Bestwick表示：“在Rigetti计算公司，我们希望制造尽可能好的超导量子位，以制造尽可能最好的量子计算机，而以可复制的方式延长量子位的寿命一直是最困难的问题之一。”。“这是该领域能够在二维芯片上实现的领先的transmon相干时间之一。最重要的是，这项研究以对量子位损耗的科学理解为指导，从而在不同实验室和我们的制造设施中实现了再现性。” 在NIST，科学家们对使用量子技术对光子、微波辐射和电压进行基本测量感兴趣。“这是一个伟大的团队努力，也是一个很好的旗帜，它表明了我们已经走了多远，也表明了我们仍然面临的挑战，”NIST物理学家Peter Hopkins说，他领导着超导电子小组，也是SQMS中心国家纳米制造工作组的主要成员。 在这项工作之后，SQMS的研究人员继续进一步推动量子位的性能前沿。下一步包括设计创造性和稳健的纳米制造解决方案，将这项技术应用于其他transmon量子位表面，以消除这些器件中存在的所有损耗界面。在其上制备这些量子位的底层衬底也代表了下一个主要的损耗源。SQMS的研究人员已经在努力研究和开发适合量子应用的更好的硅片或其他低损耗衬底。 此外，SQMS的科学家们正在努力确保相干研究的这些进展能够在具有几个互连量子位的更复杂的芯片架构中得到保留。 SQMS量子技术路线图 鉴于SQMS中心合作的广度，该中心的愿景和使命是多重的。研究人员试图提高量子计算机构建块的性能，并将这些创新应用于量子处理器的中型原型中。 在SQMS，两个主要的超导量子计算平台正在探索中：基于2D传输量子比特芯片和基于3D腔的架构。对于基于芯片的处理器，SQMS研究人员与Rigetti等行业合作伙伴携手合作，以提高这些平台的性能和可扩展性。 目前，来自费米实验室和里盖蒂的SQMS研究人员已经联合开发了一种9量子位处理器，该处理器融合了这些表面封装的进步。该芯片正在费米实验室的SQMS量子车库中安装。它的表现将在未来几周内进行评估和基准测试。 对于基于3D腔的平台，费米实验室的科学家们一直在努力将这些量子位与超导射频腔集成。科学家们最初为粒子加速器开发了这些空腔，费米实验室在制造世界上最好的SRF空腔方面积累了数十年的经验，证明了光子寿命长达2秒。当与transmon量子位结合时，这些腔也可以用作量子计算平台的构建块。这种方法有望实现更好的一致性、可扩展性和量子位连接性。到目前为止，费米实验室的科学家已经在这些腔-量子位组合系统中实现了长达几毫秒的相干。 Romanenko说：“我们知道如何制造世界上最好的空腔，但费米实验室正在建设的3D平台的成功在很大程度上也取决于我们能在多大程度上提高这些用于控制和操纵空腔中量子态的传输量子比特的性能。”。“所以，这有点一举两得。在我们推动转型3D技术的同时，我们还与业界合作，在基于2D芯片的量子计算平台上取得重要进展。” 超导量子材料与系统中心是美国能源部五个国家量子信息科学研究中心之一。SQMS由费米国家加速器实验室领导，由30多个合作机构——国家实验室、学术界和工业界——共同努力，在量子信息科学领域取得变革性进展。该中心利用费米实验室在建造复杂粒子加速器方面的专业知识，以最先进的量子位和超导技术为基础，设计多量子位量子处理器平台。SQMS将与嵌入式行业合作伙伴携手合作，在费米实验室建造一台量子计算机和新的量子传感器，这将带来前所未有的计算机会。
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  • 《美国能源部（DOE）费米国家加速器实验室（Fermilab）发布μ子g-2实验的最新测量结果》
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-06-24
    • 近日，美国能源部（DOE）费米国家加速器实验室（Fermilab）发布了针对μ子的异常磁矩g-2实验精确测量的最新结果。基于过去三年的数据，第三次测量也可以说是最新的结果与之前实验的成果完全一致，进一步巩固了实验测量的世界平均值。这一备受期待的数值将在未来许多年成为世界上对μ子磁异常状态测量的最精确数值 。 由美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）主办的μ子g-2实验的科学家们发布了他们对μ子的异常磁矩第三次也是最后一次测量结果。该数值与实验名称中的测量值g-2有关。最新的测量结果与他们在2021年和2023年公布的结果一致，但精度要高得多，为127ppm，超过了实验最初设定的140ppm的设计目标。 “μ子的异常磁矩，即g-2，之所以很重要，因为它为粒子物理学的标准模型提供了一个高度敏感的测试途径。这是一个令人兴奋的结果，很高兴看到实验以精确测量的明确结果告终，“美国能源部高能物理办公室副主任Regina Rameika说。 这一备受期待的结果是精确测量的巨大成就，并将在未来许多年内保持世界上最精确的μ子异常磁矩测量记录。尽管最近在理论预测方面遇到了一些挑战，这些挑战削弱了来自μ子g-2新物理学的证据，但这一结果为粒子物理学标准模型的扩展理论提供了一个严格的基准。 “这是一个非常激动人心的时刻，因为我们不仅实现了目标，还超出了目标，这对于精密测量工作来说并不容易，”阿贡国家实验室的物理学家、μ子g-2合作研究小组的联合发言人彼得·温特（Peter Winter）说。“在资助机构和美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）的支持下，总体上非常成功，因为我们达到或超越了我们预期的几乎所有目标。” “一个多世纪以来，g-2一直在帮助我们揭示自然界的本质，”康奈尔大学教授兼该研究成果的分析联合协调员劳伦斯·吉本斯（Lawrence Gibbons）说。“能够增加一项我认为会长期有效的精确测量记录是令人振奋的。” μ子g-2（读作“g减2”）实验着眼于一种称为μ子的基本粒子的摆动。μ子类似于电子，但质量大约是电子的200倍；与电子一样，μ子具有称为自旋的量子力学特性，可以被理解为一个微小的内部磁体。当存在外部磁场的情况下，这个内部磁体会像旋转时陀螺的轴一样不停的摆动或震动。 在磁场中μ子的摆动频率取决于其特性，该特性由称为g因子的数字描述。理论物理学家根据对宇宙在基本层面上运行方式的现有知识来计算g因子，这些知识包含在粒子物理学的标准模型中。 大约100年前，g的值被预测为2。但实验测量很快证明，g与2略有不同，这个差值被称为μ子的异常磁矩，记作aμ，通过(g?2)/2计算得出。μ子的g-2实验正是由此关系得名。 μ子的异常磁矩几乎对所有标准粒子模型都产生影响，理论物理学家能够以令人难以置信的精度计算出这些异常磁矩所带来的影响。但之前在1990年代末和2000年代初在布鲁克海文国家实验室进行的测量表明，其结果可能与当时的理论计算数值存在差异。 当实验结果与理论数值不一致时，这可能意味着存在新的物理现象。具体而言，物理学家们怀疑这种差异是否可能是由尚未发现的粒子拉动μ子的异常磁矩而引起的。 因此，物理学家决定升级μ子g-2实验，以进行更精确的测量。2013年，Brookhaven的磁性存储环从纽约长岛被运往伊利诺伊州巴塔维亚的费米实验室。经过多年的重大升级和改进后，费米实验室μ子g-2实验于2017年5月31日启动。 与此同时，物理学家们组成了一个国际性合作团队，即μ子g-2理论倡议（Theory Initiative），以改进理论计算。2020年，Theory Initiative团队发布了一个更新的、更精确的标准模型值，该值基于一种使用其他实验输入数据的技术而生成。 当费米实验室在2021年公布其首个实验结果时，这种与该技术结果的差异继续增大，该结果以略微提高的精度确认了布鲁克海文的测量结果。与此同时，基于第二种严重依赖计算能力的技术得出了一个新的理论预测值。这个新数值更接近实验测量值，从而缩小了差异。 最近，Theory Initiative团队发表了一项新的理论预测，该预测结合了使用新计算技术的几个小组的结果。这一结果仍然更接近实验测量值，降低了新物理现象出现的可能性。然而，理论研究工作将继续努力理解数据驱动方式和计算方法之间的差异。 基于过去三年的数据，μ子g-2合作研究小组的第三次也是最后一次测量结果与之前的结果完全一致，进一步巩固了实验测量数据的世界平均值。（μ子g-2合作组）这项最新的测量结果是基于对2021年至2023年间获取的过去三年数据的分析，并结合之前发布的数据集。这使得用于2023年第二次结果的数据集规模增加了两倍多，并使该合作组最终实现了他们在2012年提出的目标精度。 这也代表了对实验最佳质量数据的分析。在第二次数据采集运行即将结束时，μ子g-2合作研究小组完成了对实验过程的一些调整和优化，这些改进提高了μ子束的质量并减少了不确定性。 “正如数十年来一样，μ子的异常磁矩仍然是标准模型的严格基准，”阿贡国家实验室的助理物理学家兼分析协调员西蒙·科罗迪（Simon Corrodi）说。“新的实验结果为这一标准模型的基本理论提供了新的思路，并将为即将到来的任何新理论计算设定基准。” 日本质子加速器研究复合体（J-PARC）未来将在2030年代初期进行另一次μ子磁异常测量实验，但最初他们的精度无法达到费米实验室的水平。 与此同时，理论倡议（Theory Initiative）将继续致力于解决他们两个理论预测之间的不一致性。 μ子g-2合作研究小组由来自七个国家的34个机构的近176名科学家组成。意大利国家比萨核物理研究所的物理学家兼μ子g-2 合作研究小组的联合发言人Marco Incagli强调，合作的国际性是实验成功的关键。 不同寻常的是，这些科学家还代表了不同的物理学领域。“这个实验非常奇特，因为它涉及的实验步骤非常独特，”Incagli说。“这确实是由通常从事不同实验的各个团体之间的合作完成的。” 与其他高能物理实验不同，μ子g-2实验的研究人员不仅仅是高能物理学家；该合作小组还包括加速器物理学家、原子物理学家和核物理学家。“看到所有这些不同领域的专家聚集在一起，我们就能够解决一个团队可能都无法单独完成的问题，这非常有价值，”Incagli 说。 尽管实验的主要分析工作已经结束，但在μ子g-2近六年的实验数据中还有更多有待挖掘的研究内容。未来，这项合作将测量μ子的一种特性（称为电偶极矩），以及测试物理定律中的一个基本定理（称为电荷、奇偶性和时间反转对称性）。 “这是一个非常漂亮的实验，”Gibbons说。“实验产生的数据非常精致，我们有幸能够记录到这些数据并对其进行分析研究。 “当然，结束这样一个项目令人感到惋惜，因为它一直是我们许多合作者工作和生活的重要组成部分，”自2011年以来一直参与该合作的Winter说。“但我们同时也希望转向其他领域的物理学，尽我们所能推动该领域在其他方面的发展。 “我认为这将是一个教科书式的实验，将在未来几十年里成为长期的参考依据，”Winter补充道。 美国能源部（DOE）费米国家加速器实验室（Fermilab）是美国首屈一指的粒子物理学和加速器研究国家实验室。Fermi Forward Discovery Group为美国能源部科学办公室管理费米国家加速器实验室（Fermilab）。
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