Embora tenham suas próprias áreas exclusivas de especialização e recursos, os NQISRCs estão todos alinhados à mesma missão – o avanço da ciência da informação quântica.
Cinco Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica (NQISRCs) estão alavancando o comportamento da natureza nas menores escalas para desenvolver tecnologias para os problemas mais complexos da ciência. Apoiados pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA (DOE), os NQISRCs apoiam a missão do DOE desde 2020 para promover a energia, a economia e a segurança nacional dos Estados Unidos. Ao construir um ecossistema quântico nacional e uma força de trabalho composta por pesquisadores em cerca de 70 instituições nos Estados Unidos, os centros criam um ambiente rico para inovação quântica e co-design.

Os NQISRCs integram instalações do DOE de última geração, talentos proeminentes em laboratórios nacionais e universidades dos EUA e a engenhosidade empreendedora das empresas de tecnologia dos EUA.

Como resultado, os centros estão expandindo a fronteira do que é possível em computadores quânticos, sensores, dispositivos, materiais e muito mais.

Cada centro nacional é liderado por um laboratório nacional do DOE:

• Centro de co-design para Quantum Advantage (C ² QA), liderado pelo Brookhaven National Laboratory
• Q-NEXT, liderado pelo Laboratório Nacional de Argonne
• Quantum Science Center (QSC), liderado pelo Oak Ridge National Laboratory
• Quantum Systems Accelerator (QSA), liderado pelo Lawrence Berkeley National Laboratory
• Centro de Materiais e Sistemas Quânticos Supercondutores (SQMS), liderado pelo Fermi National Accelerator Laboratory

Liderando com a ciência

“Cada centro é uma força formidável para a ciência da informação quântica por si só, empurrando as fronteiras da computação, física, química e ciência dos materiais para trazer novas tecnologias transformadoras para a nação”, disse o diretor da Q-NEXT, David Awschalom. “Mas juntos, eles são uma potência nacional, elevando a ciência e a engenharia quântica a uma proeminência especial nos EUA e posicionando o país como líder global no campo”.

Um campo de pesquisa em rápido crescimento, a ciência da informação quântica (QIS) examina as propriedades quânticas da natureza para construir novas e poderosas maneiras de processar informações em áreas tão variadas quanto medicina, energia e finanças. Ao manipular as características mais fundamentais da matéria, os pesquisadores poderiam inventar novos sensores de precisão sem precedentes, computadores poderosos e redes de comunicação seguras.

Para isso, os centros estão trabalhando para prototipar e avaliar o desempenho e o impacto de computadores quânticos e sensores construídos usando várias plataformas e arquiteturas tecnológicas.

"Há muitas escolhas e oportunidades a serem feitas no desenvolvimento da computação quântica, e entender como os dispositivos atuais falham nos revela o caminho a seguir", disse C ² Diretor de controle de qualidade Andrew Houck. “Os NQISRCs podem enfrentar essa tarefa surpreendentemente difícil porque, apesar dos grandes avanços no campo, os computadores quânticos atuais ainda são muito barulhentos e propensos a erros para cálculos úteis”.

Compreender o comportamento quântico dos materiais é crucial para superar essas limitações de ruído e para a realização de dispositivos que oferecerão uma vantagem quântica. Os laboratórios nacionais estão posicionados de forma única para oferecer instalações e conhecimentos avançados que orientam a compreensão e superação dessas limitações.

“O DOE investe há anos em tecnologias, ferramentas e instalações de ponta em laboratórios nacionais, que oferecem oportunidades únicas para permitir um salto no desempenho de dispositivos quânticos”, disse Anna Grasselino, diretora da SQMS. "Estamos entusiasmados em oferecer experiência líder mundial para fazer avanços transformacionais no QIS, especialmente porque o QIS pode ajudar a avançar nossa missão de entender o mundo em seu nível mais fundamental".

Colaborando para a inovação quântica

As equipes interdisciplinares do NQISRCs co-projetam tecnologias quânticas para preparar o terreno para futuras descobertas científicas. 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. + Explorar mais

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