由国家自然科学基金会资助的布朗，达特茅斯大学的研究人员探索材料，量子技术的物质状态

普罗维登斯、罗德岛和汉诺威(布朗大学和达特茅斯学院)——量子技术有潜力在计算、传感、密码学等领域引发革命。在美国国家科学基金会(National Science Foundation) 400万美元的资助下，来自布朗大学(Brown University)和达特茅斯学院(Dartmouth College)的一组研究人员将致力于更好地理解使这些技术成为可能的材料和奇异量子态。

“我们试图了解这些量子材料和复杂的量子态在基本层面上,使我们能够控制和操纵它们在有用的方面,”维斯纳Mitrović说,物理学教授布朗和首席研究员格兰特。“这一新的认识将帮助我们确定这些材料或状态中哪些对哪些应用有用，进而帮助我们推动量子技术向前发展。”

维斯纳Mitrović

量子技术利用了控制单个粒子行为的特殊规则。在量子世界中，粒子可以表现得好像它们在给定的时间处于不止一种状态，即使它们远在太空中，它们也会相互影响对方的行为。通过利用这些特性，量子计算机可以以新的方式处理信息，其计算能力甚至远超当今最快的超级计算机。量子传感器比现在使用的要强大得多，可以应用于从医学到地震学的各个领域。量子密码学可以带来本质上安全的通信。

然而，尽管有这些希望，在这些量子技术充分发挥其潜力之前，仍有许多障碍需要克服。一个问题是量子态极其脆弱——最轻微的扰动就能摧毁它们。科学家们仍然不完全理解如何在量子系统中建立粒子之间复杂关联的模型。这些微观关联非常重要，因为它们最终决定了材料在宏观尺度上的性质。

在这项资助下，布朗-达特茅斯大学的研究小组将采用一种新的方法，将当今的小型量子计算机与大规模经典计算资源结合起来，在微观细节上研究量子材料和复杂量子态。现有材料的实验研究将与机器学习和人工智能工具相结合，为新材料的设计提供依据。新材料的性能取决于相关的量子态，而量子态并不那么脆弱。

“衡量这些相关性的能力使我们能够更好地理解和控制这些量子态,“Mitrović说。“这可能使新技术的设计成为可能，比如容错量子计算机。”

Mitrović专家利用一种被称为核磁共振技术来探测量子态的材料。为了这笔拨款，她将与布朗大学的其他理论家、迪玛·费尔德曼教授和布拉德·马斯顿教授合作。达特茅斯大学的研究团队由实验主义者钱德拉塞卡•拉马纳坦(Chandrasekhar Ramanathan)和理论家詹姆斯•惠特菲尔德(James Whitfield)领导。该团队还包括计算机科学和量子物理方面的专家。

Ramanathan说:“通过利用他们互补的专业知识——布朗大学的量子材料和达特茅斯大学的量子信息科学——这项资助将使新英格兰卓越中心能够在量子科学和数据科学之间建立联系，这两个领域都是国家科技发展的重点领域。”“这次合作将使我们能够解决一些阻碍量子技术应用的难题。”

研究人员认为，量子信息科学与本研究开发的数据科学相结合，可能会产生广泛的影响，造福社会。Mitrović说她的兴奋与这群同事在这个项目。

她说:“如果你让我召集一个由研究人员组成的梦之队来解决这个问题，这就是我要召集的小组。”“这令人兴奋，因为我认为我们可以在这方面取得真正的进展。”

格兰特是NSF 建立项目的一部分来刺激竞争研究(EPSCoR)旨在促进科学进步全国(批准号1921199)。这笔资金将用于罗德岛州和新罕布什尔州吸引投资、培养研究人才和创建新的数据科学培训项目。