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Si bien tienen sus propias áreas únicas de experiencia y recursos, los NQISRC están todos alineados con la misma misión:el avance de la ciencia de la información cuántica.
Cinco Centros Nacionales de Investigación en Ciencias de la Información Cuántica (NQISRC) están aprovechando el comportamiento de la naturaleza en las escalas más pequeñas para desarrollar tecnologías para los problemas más complejos de la ciencia. Con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU., los NQISRC han estado apoyando la misión del DOE desde 2020 para promover la seguridad energética, económica y nacional de los Estados Unidos. Al construir un ecosistema cuántico nacional y una fuerza laboral compuesta por investigadores de aproximadamente 70 instituciones en los Estados Unidos, los centros crean un entorno rico para la innovación cuántica y el codiseño.
Los NQISRC integran instalaciones del DOE de última generación, talento preeminente en laboratorios nacionales y universidades de los EE. UU., y el ingenio emprendedor de las empresas de tecnología de los EE. UU.
Como resultado, los centros están empujando la frontera de lo que es posible en computadoras cuánticas, sensores, dispositivos, materiales y mucho más.
Cada centro nacional está dirigido por un laboratorio nacional del DOE:
Liderando con la ciencia
"Cada centro es una fuerza formidable para la ciencia de la información cuántica por sí solo, que empuja las fronteras de la informática, la física, la química y la ciencia de los materiales para traer nuevas tecnologías transformadoras a la nación", dijo el director de Q-NEXT, David Awschalom. "Pero juntos, son una potencia nacional, elevando la ciencia y la ingeniería cuánticas a una prominencia especial en los EE. UU. y posicionando al país para ser un líder mundial en el campo".
Un campo de investigación que emerge rápidamente, la ciencia de la información cuántica (QIS) examina las propiedades cuánticas de la naturaleza para crear formas nuevas y poderosas de procesar información en áreas tan variadas como la medicina, la energía y las finanzas. Al manipular las características más fundamentales de la materia, los investigadores podrían inventar nuevos sensores de precisión sin precedentes, computadoras potentes y redes de comunicación seguras.
Con ese fin, los centros están trabajando para crear prototipos y evaluar el rendimiento y el impacto de los sensores y las computadoras cuánticas construidos utilizando diversas plataformas y arquitecturas tecnológicas.
"Hay muchas opciones y oportunidades por hacer en el desarrollo de la computación cuántica, y comprender cómo fallan los dispositivos actuales nos revela el camino a seguir", dijo C 2 . Director de control de calidad, Andrew Houck. "Los NQISRC pueden abordar esta tarea sorprendentemente difícil porque, a pesar de los grandes avances en el campo, las computadoras cuánticas actuales todavía son demasiado ruidosas y propensas a errores para realizar cálculos útiles".
Comprender el comportamiento cuántico de los materiales es crucial para superar estas limitaciones de ruido y para la realización de dispositivos que ofrezcan una ventaja cuántica. Los laboratorios nacionales están en una posición única para ofrecer instalaciones y conocimientos avanzados que guían la comprensión y la superación de estas limitaciones.
"DOE ha invertido durante años en tecnologías, herramientas e instalaciones de vanguardia en laboratorios nacionales, que ofrecen oportunidades únicas para permitir un salto en el rendimiento de los dispositivos cuánticos", dijo Anna Grasselino, directora de SQMS. "Estamos entusiasmados de ofrecer experiencia líder en el mundo para lograr avances transformadores en QIS, especialmente porque QIS puede ayudar a avanzar en nuestra misión de comprender el mundo en su nivel más fundamental".
Colaborando para la innovación cuántica
Los equipos interdisciplinarios de los NQISRC codiseñan tecnologías cuánticas para preparar el escenario para futuros descubrimientos científicos. Advances in QIS will bring about societywide benefits, such as new materials and powerful quantum sensors that, when combined with medical imagers, could measure tissue at the individual-cell level, bringing far greater sensitivity to today's magnetic resonance imaging machines.
By understanding what enables and limits different quantum technologies and what tools need to be developed, the co-design effort across the NQISRCs could translate into faster drug and vaccine development, novel materials, improvements in transportation and logistics, and more secure financial networks.
As a national ecosystem, NQISRC researchers leverage world-class DOE Office of Science user facilities and programs, such as the Advanced Photon Source at Argonne National Laboratory, the Oak Ridge Leadership Computing Facility at Oak Ridge National Laboratory, the Advanced Light Source at Lawrence Berkeley National Laboratory, the National Synchrotron Light Source II at Brookhaven National Laboratory, and the superconducting technology facilities and technologies at Fermilab.
"Through the funding of these strategic quantum centers, DOE has given researchers an incredible opportunity to make impactful and world-changing discoveries in QIS," said QSC Director Travis Humble. "Based on the first two years of operation, there is every reason to believe these centers will make tremendous progress in the coming years in advancing QIS toward real-world innovation. We will see an increasing flow of discovery science through the innovation chain."
Similarly, laboratory and university scientists can leverage the market-driven technologies developed by their industry partners, such as test beds and simulation tools. Capitalizing on these networks, each center builds a pathway to commercializing quantum technologies and, eventually, bringing them to the public.
Preparing the quantum workforce and engaging with industry
The lasting impact of the NQISRCs' co-design efforts for science and technology will depend on a quantum workforce to carry it into the future. All national centers are committed to building a workforce with a focus on diversity, equity and inclusion through institutional degree programs, cooperative training programs with industry and retraining certificate programs. This sets the stage for many more innovations and fundamental science questions to be explored.
"The centers have taken a multipronged approach to train the next generation of QIS scientists and researchers and to create new pipelines for underrepresented groups," expressed QSA Director Irfan Siddiqi. "We're all putting forth special efforts to support a diverse quantum workforce in a fast-growing field."
The QSC at Oak Ridge National Laboratory, for example, held its second annual quantum summer school in May, a forum for sharing QIS topics with high schoolers, college students, postdocs and professionals. The event included panels on workforce development strategies with leading industry representatives as well as networking opportunities for students and staff.
C 2 QA recently held its second six-weeklong quantum computing summer school, QIS101, for undergraduate students this year, with a focus on building fundamental and practical skills and growing a diverse quantum workforce. 40% of the participants in C 2 QA's summer session were women, and nearly 44% were from communities underrepresented in QIS.
Q-NEXT partners with other quantum institutions to build a more diverse and inclusive quantum workforce through the Open Quantum Initiative, a group led by the Chicago Quantum Exchange. One key effort was the creation of an undergraduate fellowship program for underrepresented, racially minoritized quantum scientists. This summer, the fellowship participants worked side-by-side with scientists at collaborating institutions on challenging projects in QIS.
QSA works closely with several regional and international companies with strong records in diversity and inclusion programs. Furthermore, it is partnering with local economic development boards already active in the industry to establish internship and apprenticeship programs and accelerate startups. QSA hosted in 2021 its industry and investor roundtable events, attended by dozens of founders, investors, CEOs, senior scientists and engineers from across the United States and worldwide.
SQMS has announced the recipient of the first Carolyn B. Parker Fellowship, named for Carolyn Beatrice Parker, who was the first African American woman to earn a Ph.D. in physics. The center is currently recruiting for a second Parker fellow and is wrapping up the second annual undergraduate internship program as well as the SQMS QIS Summer School, co-hosted by the Galileo Galilei Institute in Florence, Italy.
On Sept. 14, Brookhaven National Laboratory will host the second NQISRC Virtual Quantum Career Fair. The event aims to make undergraduate, graduate and postdoc communities more aware of the DOE Office of Science's NQISRCs and the different types of careers in QIS at the centers—from technical to non-STEM careers. The first NQISRC career fair, held in fall 2021, attracted close to 400 participants, with 12% representation from minority-serving institutions.
Advances in quantum information science have the potential to revolutionize research and society. The NQISRCs are at the forefront of this emerging field by developing technologies that go beyond what's previously possible. Importance of the science of measurement in the quantum revolution
