量子的未来

美国即将迎来量子科学知识和创新的新时代，这要归功于联邦政府资助的一系列合作，这些合作将国家实验室、研究中心、大学和工业界结合在一起。 

加州大学圣塔芭芭拉分校的量子科学家们将通过向美国能源部8月26日宣布的五个新的量子信息科学(QIS)研究中心中的三个贡献他们丰富的知识和研究实力，参与到这次全国性的量子研究热潮中来。

这些研究中心的建立是为了支持《2018年国家量子倡议法案》，旨在“加快量子信息科学和技术应用的发展”，以造福于国家安全、经济和科学发现。这些中心计划通过创新项目和计划来进一步发展下一代量子科学家和工程师，同时为新兴的量子劳动力提供培训。

加州大学圣塔芭芭拉分校校长亨利·t·杨说:“我们感谢能源部提供的这一有远见的资助，我们为我们的同事们感到骄傲，他们跨越学科和机构的界限，共同推进量子科学，造福人类。”“这些令人兴奋的合作关系证明了加州大学圣巴巴拉分校在量子研究和技术方面的领导地位，也证明了我们的创新、创业和合作文化。”

UCSB负责研究的副校长Joe Incandela说:“加州大学圣巴巴拉分校纳入三个主要的DOE量子信息科学研究中心是一项重大成就。”“这反映了我们世界一流的师资队伍，以及他们在量子材料、计算、传感和系统方面的科学和工程实力，我们的项目是全国最好的。”

Q-NEXT

量子世界最强大的方面之一是它处理信息的方式，它以经典系统不可能的方式操纵信息。例如，纠缠——两个“纠缠”粒子的测量在跨越距离的同时相互关联的一种现象——可以用来在眨眼之间传输大量信息。另一个令人着迷的量子行为是所谓的“观察者效应”，即测量或观察的行为改变了信息本身——一种安全优势。

为了实现稳健的量子信息通信，必须存在能够可靠地感知、捕获、分发、存储和操纵量子信息的技术。

这就是凝聚态物理学家Ania Jayich的工作的用处。作为Argonne实验室领导的Q-NEXT合作项目的合作者，她的工作将集中于开发控制和分发量子信息的科学和技术。

“使用量子纠缠来改进量子传感器用于凝聚态物理、生物学甚至天文学发现的前景已经设想了很多年了，”Jayich说。“随着能源部对Q-NEXT的大规模、集中和跨学科投资，我们希望这些梦想将在这项资助的视野中得以实现。”

在她的工作中，Jayich开发了一种方法来捕获脆弱的、转瞬即逝的量子信息而不破坏其相干性——这对任何从事量子系统工作的人来说都是最大的挑战之一。

Q-NEXT还将在Argonne和SLAC国家加速器实验室建立量子材料铸造厂，以生产标准化材料和设备的强大供应链，支持已知和尚未发现的量子应用。它还将创建第一个国家量子设备数据库，用于下一代量子设备的标准化。

量子科学中心

当你进入二维时，有趣的物理现象就会发生——物理学家阿列克谢·基塔耶夫在1997年提出的独特量子行为，可能成为拓扑量子计算机的基础。二十年后，拓扑量子计算成为量子研究的热门领域之一，这在很大程度上是因为拓扑量子系统具有容错能力——即使在存在干扰的情况下也能保存量子信息。这为可扩展的、健壮的系统打开了大门，可以在更真实的条件下运行。

需要特殊类型的材料来承载二维量子系统中寻找的各种行为，并需要特定的思维方式来诱导这些行为。原子物理学家大卫·威尔德和凝聚态安德里亚·杨，以及来自UCSB量子研究中心微软Q站的合作者们已经准备好参与量子科学中心(QSC)的研究，进入这个未知的领域。

“我希望工作将深化我们的拓扑关系的基本理解,导致定性量子处理平台的进步,“焊缝说,他自己的研究将专注于量子模拟——从超冷量子气体模拟构建合成物质的行为,量子信息处理的新模型。

总部位于橡树岭国家实验室的QSC将专注于量子材料的发现和设计、量子算法和模拟，以及为发现科学共同设计和开发量子器件和传感器。

C2QA

2019年，一台53量子位的计算机成为首台超越经典超级计算机的量子计算机，展示了量子计算的霸主地位，世界首次尝到了量子计算的威力。但这仅仅是开始——一个起点，研究人员已经开始在即将到来的量子计算机迭代中提高一致性、增加容错性、提供纠错和最小化噪声。

材料科学家Chris Van de Walle就是这些研究人员中的一员，他正在加入一个由Brookhaven实验室领导的合作团队，为量子计算机共同设计——同时设计硬件和软件。它被称为量子优势协同设计中心(C2QA)，其任务是开发一种量子计算机，能够“在有用的任务上超越传统计算机”。

在亚原子量子世界中，承载量子行为的材料的质量是非常重要的。点缺陷，如微小杂质或粒子应该存在的空位，足以引起退相干。

“理解那些导致退相干的过程和识别缺陷对提高相干性至关重要，”Van de Walle评论道，他的小组执行原子计算，将阐明缺陷和机制。

但并不是所有的缺陷都是不好的，Van de Walle说。研究还将包括设计和开发可以在量子计算机中充当“量子位”的缺陷，量子位是经典计算机中的位的模拟。他的工作是C2QA努力增强健壮性和为可伸缩性铺平道路的一部分。

实现每个中心的目标需要多学科的努力，UCSB的研究人员非常熟悉这种方法。

“要想在这个激动人心且快速发展的领域取得进展，需要合作和跨学科的工作，而UCSB正是以这一领域而闻名，”Van de Walle说。研究人员还将能够利用UCSB量子铸造厂(一个由nsf资助的合作中心)内现有的设施和关系，以及该校广泛而深厚的量子研究资源