QUIET实验室位于费米实验室地下100米处。图片来源：Ryan Postel，费米实验室
在费米国家加速器实验室的地下深处，有一个名为QUIET的全新量子传感器和计算研究中心，在地表100米处，坐落着名为LOUD的双胞胎。
量子研究基础设施是美国首批投入运营的此类基础设施之一。QUIET和LOUD将允许使用量子传感器进行受控实验，以直接比较宇宙射线干扰显着减少的环境与地球表面的环境。
存储在量子比特中的量子信息是脆弱的：来自环境的相互作用导致量子态退相干并最终坍缩成单一状态。由于超导量子比特受到宇宙射线和相关高能粒子（如μ介子）的负面影响，因此了解这对这些精密设备的影响至关重要。
所获得的知识可以使研究人员更好地操纵和保护量子态，甚至有助于进一步的应用，包括探测暗物质。
高能粒子冲击超导量子比特“当这些非常有能量的粒子之一 - X射线，伽马射线或其他类型的宇宙射线 - 击中你的量子比特时，它会抹去所有信息，这并不奇怪，”费米实验室科学家Aaron Chou说，他领导量子科学中心的量子设备和传感器发现科学推力，总部设在能源部橡树岭国家实验室。费米实验室是QSC的创始合伙人。
由于这种干扰，量子芯片上的信息可以在几分之一秒内被破坏，导致量子比特丢失信息。费米实验室科学家和QSC成员丹尼尔·巴克斯特（Daniel Baxter）表示，这将明显限制量子计算机的大规模计算。
“这还不是问题，但我们将来会看到它，”巴克斯特说。“我们的目标是在我们到达那里之前解决它，因为我们知道这将是一个限制因素。如果我们提前解决这个问题，我们将在走向量子计算的道路上为自己扫清道路。
QUIET的一个目标是了解伽马射线、X射线、μ介子和β粒子对超导量子比特的影响之间的差异。
这些粒子在材料中的相互作用方式存在很大差异。例如，β粒子将与材料表面的原子相互作用，而μ介子将穿过，将能量沉积在更长的距离和更深的材料中。然而，目前对这些粒子如何与超导量子比特相互作用的细微差别知之甚少。
利用QUIET来了解高能杂散粒子对超导量子比特的影响，可以使研究人员构建对辐射不太敏感的新模型。
这项研究涉及获取在地表测试过的量子比特，然后将它们移动到地下 - μ介子和宇宙射线通量要小得多 - 以确定它们的性能如何变化。潜在的新模型可以通过两种方式之一工作：研究人员可以专注于屏蔽量子比特免受干扰，或者设计一开始就对它不敏感的设备。
暗物质应用或者，使用量子比特作为传感器来制造对辐射过敏的新探测器也可用于探测暗物质。
目前，暗物质探测受到大多数技术的限制，这些技术仅在电子伏特级以上敏感，电子伏特级代表电子电荷通过一伏的电位差加速时获得的能量。这些新的超灵敏量子传感器可以探测到eV尺度以下的物体，这可能使科学家能够测试更广泛的暗物质理论模型。
“使用超导量子比特的更灵敏的探测器，其可以比eV尺度低一千多倍，这将使我们能够探测到比当前暗物质实验中可能的能量沉积物小得多的能量沉积物，”Chou说。
“这将使我们能够探测到质量较低的暗物质，因为比乒乓球更容易检测到你被货运列车击中。
地下深处QUIET是作为国家量子计划的一部分而建造的。它使用的地下空间最初是由费米实验室为其中微子实验创建的。当光束打开时，中微子光束线是安全的，并且提供的空间可用于其他实验。
“地下设施是费米实验室拥有的非常罕见和独特的东西，费米实验室正在利用这个地下空间进行尖端科学研究，”巴克斯特说。与其他地下空间相比，QUIET的便利性也值得注意。
“如果我坐在办公室里，我可以在10分钟内进入地下，”巴克斯特补充道。
世界各地的量子和暗物质科学家正在计划在深矿中建立类似的地下量子测试设施。例如，费米实验室超导量子材料和系统中心的科学家已经开始在意大利Gran Sasso山下建造的实验室中测试量子比特。虽然 QUIET 没有那么深，但它的可访问性提供了很大的优势。
此外，其他国家实验室也有地下空间。QUIET可减少99%的μ介子通量，并使科学家有机会利用这种易于获取的地下资源进行尖端科学研究。
QUIET的未来QUIET花了两年半的时间建造，目前正处于调试阶段，应该在未来几个月内投入使用。科学家们已经安装并测试了一种稀释冰箱，这是部署超导量子比特所必需的。他们还在建立射频电子设备，超导量子比特用它来控制和读取它们的量子态。
研究空间的许多单独组件，如冰箱和电子设备，都是为QUIET和LOUD购买的商业物品，以提供直接的一对一比较。
“QUIET的首次亮相在幕后做了大量的工作，”QSC总监Travis Humble说。“这些努力包括为新建的洁净室安装专用的冷冻水和电力，以及其他基础设施开发。”
“这是一个非常令人兴奋和快速发展的领域，新的研究不断出现并改变讨论，令人兴奋的是，费米实验室是这样一个相关和高风险主题的主要参与者之一，”巴克斯特说。
