Wie die NQISRCs die Quantenrevolution nutzen

Die NQISRCs verfügen zwar über ihre eigenen einzigartigen Fachgebiete und Ressourcen, sind aber alle auf dieselbe Mission ausgerichtet – die Weiterentwicklung der Quanteninformationswissenschaft.

Fünf National Quantum Information Science Research Centers (NQISRCs) nutzen das Verhalten der Natur im kleinsten Maßstab, um Technologien für die komplexesten Probleme der Wissenschaft zu entwickeln. Unterstützt vom Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) unterstützen die NQISRCs seit 2020 die Mission des DOE, die Energie-, Wirtschafts- und nationale Sicherheit der Vereinigten Staaten voranzubringen. Durch den Aufbau eines nationalen Quantenökosystems und einer Belegschaft aus Forschern an rund 70 Institutionen in den Vereinigten Staaten schaffen die Zentren ein reichhaltiges Umfeld für Quanteninnovation und Co-Design.

Die NQISRCs integrieren hochmoderne DOE-Einrichtungen, herausragende Talente in nationalen Labors und US-Universitäten und den unternehmerischen Einfallsreichtum von US-Technologieunternehmen.

Infolgedessen erweitern die Zentren die Grenzen dessen, was bei Quantencomputern, Sensoren, Geräten, Materialien und vielem mehr möglich ist.

Jedes nationale Zentrum wird von einem nationalen DOE-Labor geleitet:

Führend mit Wissenschaft

„Jedes Zentrum ist für sich genommen eine beeindruckende Kraft für die Quanteninformationswissenschaft, die die Grenzen der Informatik, Physik, Chemie und Materialwissenschaft erweitert, um der Nation transformative neue Technologien zu bringen“, sagte Q-NEXT-Direktor David Awschalom. „Aber zusammen sind sie ein nationales Kraftpaket, das die Quantenwissenschaft und -technik in den USA zu einer besonderen Bedeutung erhebt und das Land zu einem weltweit führenden Unternehmen auf diesem Gebiet macht.“

Die Quanteninformationswissenschaft (QIS), ein sich schnell entwickelndes Forschungsgebiet, untersucht die Quanteneigenschaften der Natur, um neue, leistungsstarke Wege zur Informationsverarbeitung in so unterschiedlichen Bereichen wie Medizin, Energie und Finanzen zu entwickeln. Durch die Manipulation der grundlegendsten Eigenschaften der Materie könnten Forscher neue Sensoren von beispielloser Präzision, leistungsstarke Computer und sichere Kommunikationsnetze erfinden.

Zu diesem Zweck arbeiten die Zentren an Prototypen und bewerten die Leistung und Wirkung von Quantencomputern und -sensoren, die unter Verwendung verschiedener technologischer Plattformen und Architekturen gebaut wurden.

„Bei der Entwicklung von Quantencomputern gibt es viele Entscheidungen und Möglichkeiten, und das Verständnis, wie aktuelle Geräte versagen, zeigt uns den Weg nach vorne“, sagte C2QA-Direktor Andrew Houck. „Die NQISRCs können diese überraschend schwierige Aufgabe bewältigen, da aktuelle Quantencomputer trotz großer Fortschritte auf diesem Gebiet immer noch zu laut und fehleranfällig für nützliche Berechnungen sind.“

Das Verständnis des Quantenverhaltens von Materialien ist entscheidend für die Überwindung dieser Rauschbeschränkungen und für die Realisierung von Geräten, die einen Quantenvorteil bieten. Die nationalen Labore sind einzigartig positioniert, um fortschrittliche Einrichtungen und Kenntnisse anzubieten, die zum Verständnis und zur Überwindung dieser Einschränkungen beitragen.

„DOE investiert seit Jahren in Spitzentechnologien, Werkzeuge und Einrichtungen in nationalen Labors, die einzigartige Möglichkeiten bieten, um einen Leistungssprung bei Quantengeräten zu ermöglichen“, sagte SQMS-Direktorin Anna Grasselino. „Wir freuen uns, weltweit führendes Fachwissen anzubieten, um transformative Fortschritte in QIS zu erzielen, insbesondere weil QIS dazu beitragen kann, unsere Mission, die Welt auf ihrer grundlegendsten Ebene zu verstehen, voranzutreiben.“

Zusammenarbeit für Quanteninnovation

Die interdisziplinären Teams des NQISRCs entwerfen gemeinsam Quantentechnologien, um die Voraussetzungen für zukünftige wissenschaftliche Entdeckungen zu schaffen. Fortschritte bei QIS werden gesellschaftsweite Vorteile bringen, wie neue Materialien und leistungsstarke Quantensensoren, die in Kombination mit medizinischen Bildgebern Gewebe auf der Ebene einzelner Zellen messen könnten, was den heutigen Magnetresonanztomographiegeräten eine weitaus höhere Empfindlichkeit verleiht.

Durch das Verständnis, was verschiedene Quantentechnologien ermöglicht und begrenzt und welche Werkzeuge entwickelt werden müssen, könnten die gemeinsamen Designanstrengungen der NQISRCs zu einer schnelleren Arzneimittel- und Impfstoffentwicklung, neuartigen Materialien, Verbesserungen bei Transport und Logistik sowie sichereren Finanznetzwerken führen.

Als nationales Ökosystem nutzen die NQISRC-Forscher erstklassige DOE Office of Science-Benutzereinrichtungen und -Programme, wie die Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory, die Oak Ridge Leadership Computing Facility am Oak Ridge National Laboratory, die Advanced Light Source am Lawrence Berkeley National Laboratory, die National Synchrotron Light Source II im Brookhaven National Laboratory und die Einrichtungen und Technologien für Supraleitertechnologie im Fermilab.

„Durch die Finanzierung dieser strategischen Quantenzentren hat DOE Forschern eine unglaubliche Gelegenheit gegeben, wirkungsvolle und weltverändernde Entdeckungen in QIS zu machen“, sagte QSC-Direktor Travis Humble. „Basierend auf den ersten zwei Betriebsjahren gibt es allen Grund zu der Annahme, dass diese Zentren in den kommenden Jahren enorme Fortschritte bei der Weiterentwicklung von QIS hin zu Innovationen in der realen Welt machen werden. Wir werden einen zunehmenden Fluss von Entdeckungswissenschaft durch die Innovationskette sehen.“

In ähnlicher Weise können Labor- und Universitätswissenschaftler die von ihren Industriepartnern entwickelten marktorientierten Technologien wie Prüfstände und Simulationswerkzeuge nutzen. Durch die Nutzung dieser Netzwerke baut jedes Zentrum einen Weg auf, um Quantentechnologien zu kommerzialisieren und sie schließlich der Öffentlichkeit zugänglich zu machen.

Vorbereitung der Quantenarbeitskräfte und Zusammenarbeit mit der Industrie

Die dauerhafte Wirkung der Co-Design-Bemühungen der NQISRCs für Wissenschaft und Technologie wird von einer Quanten-Arbeitskraft abhängen, die sie in die Zukunft trägt. Alle nationalen Zentren engagieren sich für den Aufbau einer Belegschaft mit Schwerpunkt auf Vielfalt, Gerechtigkeit und Inklusion durch institutionelle Studiengänge, kooperative Ausbildungsprogramme mit der Industrie und Umschulungszertifikatsprogramme. Dies schafft die Voraussetzungen für viele weitere Innovationen und grundlegende wissenschaftliche Fragen, die es zu erforschen gilt.

„Die Zentren haben einen mehrgleisigen Ansatz gewählt, um die nächste Generation von QIS-Wissenschaftlern und -Forschern auszubilden und neue Pipelines für unterrepräsentierte Gruppen zu schaffen“, erklärte QSA-Direktor Irfan Siddiqi. „Wir alle unternehmen besondere Anstrengungen, um eine vielfältige Quantenarbeitskraft in einem schnell wachsenden Bereich zu unterstützen.“

Das QSC im Oak Ridge National Laboratory veranstaltete beispielsweise im Mai seine zweite jährliche Quanten-Sommerschule, ein Forum zum Austausch von QIS-Themen mit Oberschülern, Studenten, Postdocs und Fachleuten. Die Veranstaltung umfasste Podiumsdiskussionen zu Personalentwicklungsstrategien mit führenden Branchenvertretern sowie Networking-Möglichkeiten für Studenten und Mitarbeiter.

C2QA hat kürzlich seine zweite sechswöchige Quantencomputing-Sommerschule, QIS101, in diesem Jahr für Studenten im Grundstudium abgehalten, deren Schwerpunkt auf dem Aufbau grundlegender und praktischer Fähigkeiten und dem Aufbau einer vielfältigen Quantenbelegschaft liegt. 40 % der Teilnehmer an der Sommersitzung von C2QA waren Frauen, und fast 44 % stammten aus Gemeinschaften, die in QIS unterrepräsentiert waren.

Q-NEXT arbeitet mit anderen Quanteninstituten zusammen, um durch die Open Quantum Initiative, eine Gruppe unter der Leitung von Chicago Quantum Exchange, eine vielfältigere und integrativere Quantenarbeitskraft aufzubauen. Eine wichtige Anstrengung war die Schaffung eines Stipendienprogramms für unterrepräsentierte, rassisch minderwertige Quantenwissenschaftler. In diesem Sommer arbeiteten die Fellowship-Teilnehmer Seite an Seite mit Wissenschaftlern kooperierender Institutionen an anspruchsvollen Projekten in QIS.

QSA arbeitet eng mit mehreren regionalen und internationalen Unternehmen zusammen, die in Diversity- und Inklusionsprogrammen erfolgreich sind. Darüber hinaus arbeitet es mit bereits in der Branche tätigen lokalen Wirtschaftsentwicklungsgremien zusammen, um Praktikums- und Ausbildungsprogramme einzurichten und Unternehmensgründungen zu beschleunigen. QSA veranstaltete im Jahr 2021 seine Industrie- und Investoren-Roundtable-Veranstaltungen, an denen Dutzende von Gründern, Investoren, CEOs, leitenden Wissenschaftlern und Ingenieuren aus den Vereinigten Staaten und der ganzen Welt teilnahmen.

SQMS hat die Empfängerin des ersten Carolyn B. Parker Fellowship bekannt gegeben, benannt nach Carolyn Beatrice Parker, der ersten Afroamerikanerin, die einen Ph.D. in Physik. Das Zentrum rekrutiert derzeit einen zweiten Parker-Stipendiaten und schließt das zweite jährliche Praktikumsprogramm für Studenten sowie die SQMS QIS Summer School ab, die vom Galileo Galilei Institute in Florenz, Italien, mitveranstaltet wird.

Am 14. September veranstaltet das Brookhaven National Laboratory die zweite NQISRC Virtual Quantum Career Fair. Die Veranstaltung zielt darauf ab, Studenten, Absolventen und Postdocs auf die NQISRCs des DOE Office of Science und die verschiedenen Arten von Karrieren in QIS an den Zentren aufmerksam zu machen – von technischen bis zu nicht-STEM-Karrieren. Die erste NQISRC-Karrieremesse, die im Herbst 2021 stattfand, zog fast 400 Teilnehmer an, wobei 12 % von Institutionen vertreten waren, die Minderheiten dienen.

Fortschritte in der Quanteninformationswissenschaft haben das Potenzial, Forschung und Gesellschaft zu revolutionieren. Die NQISRCs stehen in diesem aufstrebenden Bereich an vorderster Front, indem sie Technologien entwickeln, die über das hinausgehen, was bisher möglich war.