Fermilab ist bekannt für seine massiven Experimente, und Colossus passt genau dazu. Forscher des vom Fermilab beherbergten Zentrums für supraleitende Quantenmaterialien und -systeme brauchen viel Platz bei kalten Temperaturen, um ihr Ziel zu erreichen, einen hochmodernen Quantencomputer zu bauen .
Im Gegensatz zu einem Küchenkühlschrank, der Gase, sogenannte Kältemittel, komprimiert, um Lebensmittel zu kühlen, verwendet ein Verdünnungskühlschrank eine Mischung aus Heliumisotopen, um Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt oder null Kelvin zu erzeugen: die kälteste Temperatur, die in der Physik vorstellbar ist, die physikalisch unmöglich zu erreichen ist.
„Mit der Kühlleistung und dem Volumen, die Colossus bieten wird, werden SQMS-Forscher beispiellosen Raum für unseren zukünftigen Quantencomputer und viele andere Quantencomputer- und Physikexperimente haben“, sagte Matt Hollister, der leitende technische Experte für dieses Projekt. „Colossus ist nach dem ersten elektronisch programmierbaren Computer benannt, der in den 1940er Jahren zum Entschlüsseln von Codes konstruiert wurde. Er war ein historischer Meilenstein in der Geschichte der Computertechnik und schien ein passender Name für die Größe unseres neuen Kühlschranks zu sein.“
SQMS-Wissenschaftler und -Ingenieure stellen sich einer Herausforderung namens Quantendekohärenz. Dekohärenz ist ein Phänomen, das auftritt, wenn Quanteninformationen durch Signalrauschen verdeckt werden oder durch die Materialien verloren gehen, aus denen die physikalischen Qubits, die Grundeinheiten eines Quantencomputers, bestehen.
Die metallischen Niob-Hohlräume, die von SQMS zur Entwicklung besserer physikalischer Qubits verwendet werden, haben ihre Wurzeln im renommierten Teilchenbeschleunigerprogramm von Fermilab. Die Expertise des Labors in supraleitenden Hohlräumen und Kryotechnik, die für den Bau moderner, leistungsstarker Teilchenbeschleuniger unerlässlich sind, machte Fermilab zu einem erstklassigen Standort für die Unterbringung eines der nationalen Forschungszentren für Quanteninformationswissenschaft des DOE.
Um einen Quantencomputer zu bauen, brauchen Forscher nicht nur qualitativ hochwertige Qubits, die miteinander verbunden sind, sondern auch eine große Menge dieser Geräte.
Die meisten Verdünnungskühlschränke, die bei Millikelvin-Temperaturen arbeiten, bieten im Vergleich zu Colossus nur einen Bruchteil des Platzes, was die Skalierbarkeit zu einer großen Hürde für den Bau eines nützlichen Quantencomputers macht. Colossus wird so groß sein, dass er Hunderte bis Tausende von hochkohärenten Hohlräumen und Qubits beherbergen kann.
Der neue Verdünnungskühlschrank wird um eine umfunktionierte Anlage herum gebaut, die ursprünglich zum Testen von Komponenten für das Mu2e-Experiment von Fermilab bei Temperaturen um 4K diente. Im voll ausgebauten Zustand bietet Colossus 5 Kubikmeter Platz und kühle Komponenten auf rund 0,01 K. Das ist die 10-fache Kühlleistung und das 15-fache Volumen bei dieser Temperatur als handelsübliche Verdünnungskühlschränke.
„Bei SQMS verwenden wir metallische Hohlräume aus supraleitenden Materialien, um unsere Forschung durchzuführen. Supraleitende Materialien eignen sich hervorragend zum Speichern elektromagnetischer Energie mit sehr geringen Verlusten, aber der große Vorbehalt ist, dass sie sehr kalt sein müssen“, sagte Hollister. „Zum Glück bauen wir einen Raum, um Hunderte bis Tausende von Hohlräumen und Qubits zu speichern, natürlich abhängig von Geometrie und Größe.“
Der Bau von Colossus steht vor vielen Herausforderungen im Zusammenhang mit seinem großen Durchmesser von etwa 2 Metern. Wie eine umgedrehte Hochzeitstorte werden rund sieben Teller mit immer kleineren Durchmessern und immer niedrigeren Temperaturen aneinander hängen und die kryogene Struktur von Colossus bilden.
Während der Kühlschrank in Ihrer Küche kalt genug wird, um zu verhindern, dass Ihre Reste verderben, kühlen Verdünnungskühlschränke, die für die Quantencomputerforschung verwendet werden, Geräte auf die kälteste physikalische Temperatur, die möglich ist. Jetzt bauen Forscher im Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums Colossus: Es wird der größte und leistungsfähigste Kühlschrank bei Millikelvin-Temperaturen sein, der je gebaut wurde.
„Ein Verdünnungskühlschrank dieser Größenordnung wurde noch nie zuvor gebaut. Dies stellt unser Team vor zahlreiche technische Herausforderungen, an denen wir arbeiten“, sagte Grzegorz Tatkowski, ein Kryotechnik-Ingenieur von SQMS. „Wir konstruieren Colossus für eine ziemlich große Nutzlast in Bezug auf die Masse, und sicherzustellen, dass jede Platte die richtigen Temperaturspezifikationen erreicht, die für dieses Projekt erforderlich sind, ist eine Herausforderung.“
Um es zu bauen, werden die Techniker die kryogene Anlage und einen Kontrollraum umfunktionieren, der ursprünglich für das berühmte Collider Detector at Fermilab-Experiment verwendet wurde, das Forschern Daten zur Entdeckung des Top-Quarks lieferte und auch eine aktuelle Messung der Masse des W-Bosons lieferte.
„Dies ist eine ganz andere Kryotechnik-Herausforderung als die, mit der ich konfrontiert war, als ich in der Neutrino-Abteilung bei Fermilab gearbeitet habe“, sagte Chris James, ein Kryotechnik-Ingenieur. „Dort arbeiteten wir mit riesigen Tanks, die mehrere Tonnen ultrareines flüssiges Argon aufnehmen konnten, um winzige Teilchen, sogenannte Neutrinos, zu erkennen. Hier arbeite ich mit flüssigem Helium, das etwa 0,01 K hat, was etwa 10.000 Mal kälter als flüssiges Argon ist.“
Um das Design und die Spezifikationen von Colossus fertigzustellen, führte das SQMS-Team einen eingehenden Überprüfungsprozess der Komponenten für den Kühlschrank durch. Das Team rechnet damit, im Sommer 2023 mit größeren Beschaffungen zu beginnen.
„Sobald wir unser Ziel erreicht haben, diese gewaltige Maschine zu bauen, freuen wir uns darauf, die unglaublichen Physik- und Quantencomputerexperimente zu sehen, die unsere Forscherkollegen mit Colossus geplant haben“, sagte Hollister. „Das Colossus-Team freut sich darauf, eine einzigartige Maschine zu bauen, um unsere bevorstehenden Experimente zu ermöglichen und Rechengeräte zu entwickeln, die Wissen und Fähigkeiten erweitern werden.“