par Hannah Adams, Pete Genzer, Monica Hernandez, Leah Hesla, Scott Jones, Elizabeth Rosenthal, Denise Yazak, Laboratoire National d’Argonne
Tout en ayant leurs propres domaines d’expertise et ressources uniques, les NQISRC sont tous alignés sur la même mission : l’avancement de la science de l’information quantique.
Cinq centres nationaux de recherche en sciences de l’information quantique (NQISRC) exploitent le comportement de la nature aux plus petites échelles pour développer des technologies pour les problèmes scientifiques les plus complexes. Soutenus par le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie (DOE), les NQISRC soutiennent la mission du DOE depuis 2020 pour faire progresser la sécurité énergétique, économique et nationale des États-Unis. En créant un écosystème quantique national et une main-d’œuvre composée de chercheurs dans environ 70 institutions à travers les États-Unis, les centres créent un environnement riche pour l’innovation quantique et la co-conception.
Les NQISRC intègrent des installations de pointe du DOE, des talents prééminents dans les laboratoires nationaux et les universités américaines, et l’ingéniosité entreprenante des entreprises technologiques américaines.
En conséquence, les centres repoussent les limites de ce qui est possible dans les ordinateurs quantiques, les capteurs, les appareils, les matériaux et bien plus encore.
Chaque centre national est dirigé par un laboratoire national du DOE :
Diriger avec la science
« Chaque centre est une force formidable pour la science de l’information quantique en soi, repoussant les frontières de l’informatique, de la physique, de la chimie et de la science des matériaux pour apporter de nouvelles technologies transformationnelles à la nation », a déclaré David Awschalom, directeur de Q-NEXT. « Mais ensemble, ils constituent une puissance nationale, élevant la science et l’ingénierie quantiques à une importance particulière aux États-Unis et positionnant le pays comme un leader mondial dans le domaine. »
Domaine de recherche en plein essor, la science de l’information quantique (QIS) examine les propriétés quantiques de la nature pour créer de nouveaux moyens puissants de traiter l’information dans des domaines aussi variés que la médecine, l’énergie et la finance. En manipulant les caractéristiques les plus fondamentales de la matière, les chercheurs pourraient inventer de nouveaux capteurs d’une précision sans précédent, des ordinateurs puissants et des réseaux de communication sécurisés.
À cette fin, les centres travaillent à prototyper et à évaluer les performances et l’impact d’ordinateurs et de capteurs quantiques construits à l’aide de diverses plateformes et architectures technologiques.
« Il y a de nombreux choix et opportunités à faire dans le développement de l’informatique quantique, et comprendre comment les appareils actuels échouent nous révèle la voie à suivre », a déclaré Andrew Houck, directeur du C2QA. « Les NQISRC peuvent s’attaquer à cette tâche étonnamment difficile car, malgré de grands progrès dans le domaine, les ordinateurs quantiques actuels sont encore trop bruyants et sujets aux erreurs pour des calculs utiles. »
Comprendre le comportement quantique des matériaux est crucial pour surmonter ces limitations de bruit et pour la réalisation de dispositifs qui offriront un avantage quantique. Les laboratoires nationaux sont particulièrement bien placés pour offrir des installations et des connaissances avancées qui guident la compréhension et le dépassement de ces limites.
« Le DOE investit depuis des années dans des technologies, des outils et des installations de pointe dans des laboratoires nationaux, qui offrent des opportunités uniques pour permettre un bond en avant dans les performances des dispositifs quantiques », a déclaré Anna Grasselino, directrice du SQMS. « Nous sommes ravis d’offrir une expertise de classe mondiale pour faire des avancées transformationnelles dans QIS, en particulier parce que QIS peut aider à faire avancer notre mission de comprendre le monde à son niveau le plus fondamental.
Collaborer pour l’innovation quantique
Les équipes interdisciplinaires du NQISRC co-conçoivent des technologies quantiques pour préparer le terrain pour de futures découvertes scientifiques. Les progrès du QIS apporteront des avantages à l’échelle de la société, tels que de nouveaux matériaux et de puissants capteurs quantiques qui, combinés à des imageurs médicaux, pourraient mesurer les tissus au niveau de la cellule individuelle, apportant une bien plus grande sensibilité aux appareils d’imagerie par résonance magnétique d’aujourd’hui.
En comprenant ce qui permet et limite différentes technologies quantiques et quels outils doivent être développés, l’effort de co-conception à travers les NQISRC pourrait se traduire par un développement plus rapide de médicaments et de vaccins, de nouveaux matériaux, des améliorations du transport et de la logistique et des réseaux financiers plus sûrs.
En tant qu’écosystème national, les chercheurs du NQISRC exploitent des installations et des programmes d’utilisateurs de classe mondiale du DOE Office of Science, tels que l’Advanced Photon Source au Argonne National Laboratory, l’Oak Ridge Leadership Computing Facility au Oak Ridge National Laboratory, l’Advanced Light Source à Lawrence Berkeley National Laboratory, la National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory et les installations et technologies supraconductrices du Fermilab.
« Grâce au financement de ces centres quantiques stratégiques, le DOE a donné aux chercheurs une opportunité incroyable de faire des découvertes percutantes et révolutionnaires dans le QIS », a déclaré le directeur du QSC, Travis Humble. « Sur la base des deux premières années de fonctionnement, il y a tout lieu de croire que ces centres feront d’énormes progrès dans les années à venir pour faire progresser le QIS vers l’innovation dans le monde réel. Nous assisterons à un flux croissant de découvertes scientifiques à travers la chaîne d’innovation.
De même, les scientifiques des laboratoires et des universités peuvent tirer parti des technologies axées sur le marché développées par leurs partenaires industriels, telles que les bancs d’essai et les outils de simulation. En capitalisant sur ces réseaux, chaque centre construit une voie pour commercialiser les technologies quantiques et, éventuellement, les rendre accessibles au public.
Préparer la main-d’œuvre quantique et s’engager avec l’industrie
L’impact durable des efforts de co-conception des NQISRC pour la science et la technologie dépendra d’une main-d’œuvre quantique pour le mener à l’avenir. Tous les centres nationaux se sont engagés à constituer une main-d’œuvre axée sur la diversité, l’équité et l’inclusion par le biais de programmes menant à un diplôme institutionnel, de programmes de formation coopérative avec l’industrie et de programmes de certificat de recyclage. Cela ouvre la voie à de nombreuses autres innovations et questions scientifiques fondamentales à explorer.
« Les centres ont adopté une approche à plusieurs volets pour former la prochaine génération de scientifiques et de chercheurs QIS et pour créer de nouveaux pipelines pour les groupes sous-représentés », a déclaré le directeur de QSA, Irfan Siddiqi. « Nous déployons tous des efforts particuliers pour soutenir une main-d’œuvre quantique diversifiée dans un domaine en pleine croissance. »
Le QSC du Oak Ridge National Laboratory, par exemple, a organisé sa deuxième université d’été quantique annuelle en mai, un forum pour partager des sujets QIS avec des lycéens, des étudiants, des post-doctorants et des professionnels. L’événement comprenait des panels sur les stratégies de développement de la main-d’œuvre avec des représentants de premier plan de l’industrie ainsi que des opportunités de réseautage pour les étudiants et le personnel.
Le C2QA a récemment organisé cette année sa deuxième université d’été d’informatique quantique de six semaines, QIS101, pour les étudiants de premier cycle, en mettant l’accent sur le développement de compétences fondamentales et pratiques et sur la croissance d’une main-d’œuvre quantique diversifiée. 40 % des participants à la session d’été du C2QA étaient des femmes et près de 44 % provenaient de communautés sous-représentées dans l’ÉIQ.
Q-NEXT s’associe à d’autres institutions quantiques pour constituer une main-d’œuvre quantique plus diversifiée et inclusive par le biais de l’Open Quantum Initiative, un groupe dirigé par le Chicago Quantum Exchange. Un effort clé a été la création d’un programme de bourses de premier cycle pour les scientifiques quantiques sous-représentés et minoritaires sur le plan racial. Cet été, les participants à la bourse ont travaillé côte à côte avec des scientifiques d’institutions collaboratrices sur des projets stimulants en matière de QIS.
QSA travaille en étroite collaboration avec plusieurs entreprises régionales et internationales ayant de solides antécédents dans les programmes de diversité et d’inclusion. De plus, il s’associe à des conseils de développement économique locaux déjà actifs dans l’industrie pour établir des programmes de stages et d’apprentissage et accélérer les startups. QSA a organisé en 2021 ses tables rondes de l’industrie et des investisseurs, auxquelles ont participé des dizaines de fondateurs, d’investisseurs, de PDG, de scientifiques et d’ingénieurs chevronnés des États-Unis et du monde entier.
SQMS a annoncé le récipiendaire de la première bourse Carolyn B. Parker, du nom de Carolyn Beatrice Parker, qui a été la première femme afro-américaine à obtenir un doctorat. en physique. Le centre recrute actuellement un deuxième boursier Parker et termine le deuxième programme annuel de stages de premier cycle ainsi que l’école d’été SQMS QIS, co-organisée par l’Institut Galileo Galilei de Florence, en Italie.
Le 14 septembre, le laboratoire national de Brookhaven accueillera le deuxième salon de l’emploi quantique virtuel du NQISRC. L’événement vise à sensibiliser les communautés de premier cycle, des cycles supérieurs et des post-doctorants aux NQISRC du Bureau des sciences du DOE et aux différents types de carrières en QIS dans les centres, des carrières techniques aux carrières non STEM. Le premier salon des carrières du NQISRC, tenu à l’automne 2021, a attiré près de 400 participants, dont 12 % de représentants d’institutions au service des minorités.
Les progrès de la science de l’information quantique ont le potentiel de révolutionner la recherche et la société. Les NQISRC sont à l’avant-garde de ce domaine émergent en développant des technologies qui vont au-delà de ce qui était auparavant possible.
En savoir plus sur chaque centre sur le site Web du DOE : science.osti.gov/Initiatives/QIS/QIS-Centers