Investasi QIS memposisikan ORNL untuk memimpin revolusi kuantum

Konsensus yang muncul dengan cepat dalam komunitas ilmiah memprediksi masa depan akan ditentukan oleh kemampuan manusia untuk mengeksploitasi hukum mekanika kuantum.

Dengan kata lain, pengembangan perangkat dan teknologi berbasis kuantum kemungkinan akan mendorong sebagian besar inovasi ilmiah dalam waktu dekat, dan berpotensi juga dalam jangka panjang.

Perlombaan untuk kompetensi kuantum ini memiliki implikasi besar bagi keamanan ekonomi dan nasional Amerika Serikat, dan Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi siap untuk memimpin.

Penelitian ORNL dalam ilmu informasi kuantum, atau QIS, kembali ke lebih dari dua dekade dan telah menjaring lebih dari 20 paten yang diterbitkan atau tertunda.

Keberhasilan dalam inovasi kuantum ini telah memungkinkan pembentukan tiga kelompok penelitian yang berbeda namun terhubung yang didedikasikan untuk memajukan komputasi kuantum, jaringan, dan penginderaan. Kelompok-kelompok ini, bersama-sama berjumlah lebih dari 30 peneliti dan terus bertambah, sekarang dikonsolidasikan di bawah payung kuantum tunggal yang dikenal sebagai bagian Ilmu Informasi Kuantum, yang dipimpin oleh Nick Peters.

“ORNL sedang mengembangkan ilmu yang dibutuhkan untuk membentuk fondasi industri kuantum masa depan AS,” kata Peters. “Kami menantikan hari di mana jaringan kuantum mengamankan infrastruktur kritis, komputer kuantum mempersonalisasi obat, dan sensor kuantum mengungkapkan apa yang saat ini tidak dapat kita lihat di alam semesta.”

20 peneliti ORNL lainnya berdedikasi untuk mempelajari bahan kuantum, memberikan tulang punggung kolaboratif yang kritis untuk tiga bidang penelitian bagian QIS.

Basis pengetahuan yang berkembang ini mengacu pada beberapa instrumen ilmiah paling canggih di dunia, termasuk yang akan segera diluncurkan Perbatasan superkomputer, yang akan menjadi sistem exascale pertama di negara ini, dan Sumber Neutron Spallation, fasilitas hamburan neutron berbasis akselerator berdenyut paling kuat di dunia.

Investasi dalam keahlian ini, ditambah dengan infrastruktur penelitian kelas dunia, terbukti penting bagi peluncuran laboratorium Quantum Science Center lima tahun senilai $115 juta tahun lalu, salah satu dari lima Pusat Penelitian Ilmu Informasi Quantum Nasional yang didanai DOE.

Penyerahan perangkap ion – Tabel optik dan ruang perangkap ion di lab ORNL. Kredit: Carlos Jones/ORNL, Departemen Energi AS

Kemampuan kuantum unik dan kemitraan strategis ORNL, termasuk dengan Purdue University, Microsoft, Los Alamos National Laboratory, dan Fermilab, memungkinkan QSC untuk mengatasi hambatan utama dalam ketahanan, kemampuan kontrol, dan akhirnya skalabilitas teknologi kuantum melalui berbagi sumber daya di seluruh laboratorium nasional, industri, dan akademisi.

Upaya kuantum ORNL selanjutnya ditopang oleh perjanjian penelitian unik seperti Program Pengguna Komputasi Kuantum laboratorium, yang memungkinkan staf ORNL dan lembaga mitra mengakses berbagai komputer kuantum termasuk sistem dari IBM, Honeywell Quantum Solutions, dan Rigetti untuk menguji kelayakan dan ketahanan untuk aplikasi penting untuk DOE. Usaha seperti itu sesuai dengan kekuatan laboratorium, karena program pengguna berada di bawah naungan Fasilitas Komputasi Kepemimpinan Oak Ridge, rumah bagi Perbatasan.

Portofolio kuantum unik inilah yang membantu laboratorium baru-baru ini mengamankan lebih dari $17 juta dari DOE untuk memajukan tiga kuantum kritis proyek. Upaya ini termasuk pengembangan sensor kuantum yang mampu mendeteksi materi gelap dan kemajuan teknologi yang penting untuk mengembangkan internet kuantum sepenuhnya. Setelah tercapai, internet kuantum sepenuhnya akan lebih aman dan secara eksponensial lebih kuat daripada internet klasik yang kita kenal sekarang.

“Memberikan kompetensi kuantum untuk memajukan bidang sains yang diprioritaskan oleh DOE membutuhkan investasi yang luas namun terhubung ini di seluruh ilmu informasi kuantum,” kata Kate Evans, direktur divisi untuk Divisi Ilmu dan Teknik Komputasi ORNL.

Optik – Phil Evans, seorang ilmuwan peneliti di kelompok Ilmu Informasi Quantum, membilas wafer silikon-pada-isolator dengan alkohol isopropil mengikuti litografi berkas elektron di Pusat Ilmu Material Nanofase, CNMS. Dr Evans adalah fabrikasi kuantum fotonik sirkuit – terdiri dari pandu gelombang dan elemen lainnya – untuk memanipulasi foton tunggal untuk komunikasi kuantum masa depan, penginderaan, dan teknologi komputasi. Kredit: Jason Richards/ORNL, Departemen Energi AS

Untuk lebih meningkatkan kemitraan strategis dan menampung investasi QIS-nya, ORNL melipatgandakan ruang laboratorium kuantumnya dengan penambahan gedung Translational Research Capability. Dijadwalkan selesai pada akhir 2022, TRC adalah fasilitas yang dibangun khusus untuk penelitian terkemuka dunia dalam ilmu komputasi dan material yang akan berfungsi untuk memajukan ilmu pengetahuan dan rekayasa informasi kuantum.

Ruang fleksibel akan mendukung pertumbuhan penelitian bahan dasar laboratorium dengan menyediakan fabrikasi atom dan kemampuan karakterisasi bahan untuk mempercepat pengembangan perangkat komputasi kuantum baru. Para peneliti juga akan menggunakan fasilitas tersebut untuk mengejar kemajuan dalam pemodelan dan simulasi kuantum, memanfaatkan pendekatan desain bersama untuk mengembangkan algoritme kuantum bersama dengan sistem kuantum prototipe.

“Investasi strategis laboratorium dalam kuantum selama dekade terakhir benar-benar terbayar dalam hal penemuan,” kata Jeff Nichols, direktur laboratorium asosiasi ORNL untuk ilmu komputasi dan komputasi. “Penemuan-penemuan ini adalah awal dari apa yang kami harapkan menjadi era transformasional dalam penyelidikan ilmiah. Sama seperti ORNL yang membantu mengantarkan era atom, kita juga akan berperan penting dalam realisasi revolusi kuantum.”

Sumber: ORNL