QLCI-CI: NSF Quantum Leap Challenge Institute for Robust Quantum Simulation

QLCI-CI:NSF 量子飞跃挑战研究所的鲁棒量子模拟

基本信息

  • 批准号:
    2120757
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2500万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Cooperative Agreement
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-09-01 至 2026-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Quantum mechanics governs the behavior of matter at the scale of atoms and subatomic particles. Many key technological developments of the 20th century—such as the laser, the transistor, and magnetic resonance imaging—relied on understanding quantum mechanics through simplified models. However, such approaches cannot address the behavior of complex quantum phenomena arising in systems with many interacting components. The promise of quantum science and technology depends on overcoming this obstacle by building a well-controlled, well-characterized quantum system that can reliably simulate the behavior of matter at small scales. Such a quantum simulator will represent a landmark in our understanding of quantum phenomena. The Institute for Robust Quantum Simulation will address this goal by combining theoretical studies with experimental implementations on several leading hardware platforms. In addition, the Institute will work to address the shortage of talent caused by rapid growth of quantum industry by training and mentoring graduate students and postdocs. New K-12 curricula will make quantum concepts more attractive and accessible to a diverse set of youth, ensuring the long-term future of the workforce. University courses developed in partnership with minority-serving institutions will engage a broader set of students in quantum science and technology. Workshops and degree programs for professionals will offer a clear perspective on the possible utility of quantum science and technology.The Institute for Robust Quantum Simulation will use quantum simulation to gain insight into, and thereby exploit, the rich behavior of complex quantum systems. Combining expertise in computer science, engineering, and physics, the team will address the grand challenge of robustly simulating classically intractable quantum systems of practical interest by exploring the theoretical foundations of quantum algorithms and error correction in conjunction with experimental implementations of reconfigurable quantum simulators on four leading hardware platforms: trapped ions, arrays of Rydberg atoms, quantum photonics with solid-state defects, and superconducting circuits. The team will employ tight collaboration between theory and experiment to co-design near-term simulation protocols with current and next-generation devices, with joint development of optical and microwave control techniques across different experimental platforms facilitating rapid advances in system size and controllability. Three major challenges facing the attempts to realize quantum simulators will be addressed: verifying the correctness of quantum simulations, characterizing and mitigating noise, and developing large-scale systems capable of advancing science and technology. Researchers will engage the broader research community with events including summer schools and a new flagship conference on quantum simulation. They will create outreach and education programs that engage diverse groups of students in quantum science, introduce cross-disciplinary undergraduate specializations in quantum information, and provide quantum information training for postgraduates and professionals.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
量子力学控制着原子和亚原子粒子尺度上的物质行为。 20 世纪的许多关键技术发展(例如激光、晶体管和磁共振成像)都依赖于通过简化模型理解量子力学。然而,此类方法无法解决具有许多相互作用组件的系统中出现的复杂量子现象的行为。量子科学和技术的前景取决于通过建立一个控制良好、特征良好的量子系统来克服这一障碍,该系统可以可靠地模拟小尺度物质的行为。这样的量子模拟器将代表我们理解量子现象的里程碑。鲁棒量子模拟研究所将通过将理论研究与几个领先硬件平台上的实验实现相结合来实现这一目标。此外,研究院还将通过培养和指导研究生和博士后,致力于解决量子产业快速发展带来的人才短缺问题。新的 K-12 课程将使量子概念对不同的年轻人更具吸引力和更容易理解,从而确保劳动力的长远未来。与少数族裔服务机构合作开发的大学课程将吸引更广泛的学生学习量子科学和技术。面向专业人士的研讨会和学位课程将为量子科学和技术的可能用途提供清晰的视角。鲁棒量子模拟研究所将利用量子模拟来深入了解并利用复杂量子系统的丰富行为。结合计算机科学、工程和物理学方面的专业知识,该团队将通过探索量子算法和纠错的理论基础,结合在四个领先硬件平台上的可重构量子模拟器的实验实现,来应对稳健模拟具有实际意义的经典棘手量子系统的巨大挑战:俘获离子、里德伯原子阵列、固态量子光子学 缺陷和超导电路。该团队将利用理论和实验之间的紧密合作,与当前和下一代设备共同设计近期仿真协议,并在不同的实验平台上联合开发光学和微波控制技术,促进系统尺寸和可控性的快速进步。将解决实现量子模拟器的尝试面临的三个主要挑战:验证量子模拟的正确性、表征和减轻噪声以及开发能够推进科学技术的大规模系统。研究人员将通过暑期学校和新的量子模拟旗舰会议等活动吸引更广泛的研究界。他们将创建推广和教育项目,吸引不同群体的学生参与量子科学,引入量子信息方面的跨学科本科专业,并为研究生和专业人员提供量子信息培训。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(64)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Optical quantum memory for noble-gas spins based on spin-exchange collisions
  • DOI:
    10.1103/physreva.105.042606
  • 发表时间:
    2022-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    O. Katz;R. Shaham;Eran Reches;A. Gorshkov;O. Firstenberg
  • 通讯作者:
    O. Katz;R. Shaham;Eran Reches;A. Gorshkov;O. Firstenberg
Interference-induced anisotropy in a two-dimensional dark-state optical lattice
二维暗态光学晶格中干涉引起的各向异性
  • DOI:
    10.1103/physreva.107.033328
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Gvozdiovas, E.;Spielman, I. B.;Juzeliūnas, G.
  • 通讯作者:
    Juzeliūnas, G.
Dark solitons in Bose–Einstein condensates: a dataset for many-body physics research
玻色爱因斯坦凝聚中的暗孤子:多体物理研究数据集
  • DOI:
    10.1088/2632-2153/ac9454
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Fritsch, Amilson R;Guo, Shangjie;Koh, Sophia M;Spielman, I B;Zwolak, Justyna P
  • 通讯作者:
    Zwolak, Justyna P
Non-Abelian Eigenstate Thermalization Hypothesis
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.130.140402
  • 发表时间:
    2023-04-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Murthy,Chaitanya;Babakhani,Arman;Halpern,Nicole Yunger
  • 通讯作者:
    Halpern,Nicole Yunger
Dynamical instability of 3D stationary and traveling planar dark solitons
3D 静止和行进平面暗孤子的动态不稳定性
  • DOI:
    10.1088/1361-648x/ac9e36
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Mithun, T.;Fritsch, A. R.;Spielman, I. B.;Kevrekidis, P. G.
  • 通讯作者:
    Kevrekidis, P. G.
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  • 作者:
    Andrew Childs;R. Coomber;M. Bull
  • 通讯作者:
    M. Bull
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  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 2500万
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