Kvantteknik – simulatorer och datorer specifikt – har potentialen att revolutionera 2000-talet, från förbättrade nationella försvarssystem till läkemedelsupptäckt till kraftfullare sensorer och kommunikationsnätverk.

Men området behöver fortfarande göra stora framsteg innan kvantberäkning kan överträffa befintliga verktyg för att bearbeta information och leva upp till sitt löfte.

En multidisciplinär forskargrupp ledd av Columbia University är i stånd att ta ut kvantteknologi från labbet till verkliga tillämpningar.

Teamet har fått en $1 miljon National Science Foundation (NSF) Convergence Accelerator-pris för att bygga en kvantsimulator, en enhet som kan lösa problem som är svåra att simulera på klassiska datorer. I projektet ingår fysiker, ingenjörer, datavetare, matematiker, och lärare från akademin, nationella laboratorier, och industri.

"Denna finansiering kommer att göra det möjligt för oss att utveckla konceptet för en kvantsimulator som kan hjälpa oss att tackla verkliga utmaningar, sa Sebastian Will, biträdande professor i fysik vid Columbia och huvudforskare på projektet. "För detta sammanförde vi ett mångsidigt team som inkluderar experter inom atomfysik, fotonik, elektronik, och mjukvara, såväl som framtida användare av plattformen."

National Science Foundation lanserade sitt Convergence Accelerator-program, en ny struktur unik för NSF och den federala regeringen, 2019 för att hjälpa till att snabbt omvandla forskning och upptäckter i linje med NSF:s "Stora idéer" till praktiken. År 2020, NSF fortsätter att investera i två transformativa forskningsområden av nationell betydelse:kvantteknologi och artificiell intelligens.

Columbia är en av 11 rikstäckande institutioner som får ett Fase One Convergence Accelerator-pris för kvantteknologi. Dessa utmärkelser stödjer National Quantum Initiative Act som antogs 2018 för att påskynda utvecklingen av kvantvetenskap och informationsteknologiapplikationer. Den amerikanska kongressen har godkänt upp till 1,2 miljarder dollar i forskningsfinansiering för kvantinformationsvetenskap, inklusive datoranvändning.

Hoppet att bygga en kvantdator med potential att lösa till synes svårlösta problem inom många olika branscher och applikationer bygger på att kontrollera mikroskopiska kvantsystem med högre och högre precision för att få dem att arbeta för datoruppgifter.

Med detta bidrag, Columbia-teamet kommer att utveckla hårdvaru- och mjukvarukoncept för att bygga en mångsidig kvantsimulator baserad på ordnade uppsättningar av atomer. Gruppen kommer att lagra kvantinformation i enskilda atomer och programmera dem för att utföra kvantsimuleringar. Förutom att utveckla enheten, planen är att göra den tillgänglig för en bred användarbas via moln.

Under de kommande nio månaderna, 2020-kohortens Convergence Accelerator-team kommer att arbeta för att utveckla sitt första koncept, identifiera nya teammedlemmar, och delta i en läroplan med fokus på design, lagvetenskap, pitchförberedelser, och presentationscoachning. Efter att ha utvecklat en prototyp, lagen kommer att delta i en pitchtävling och förslagsutvärdering. Lag som väljs ut för fas två kommer att vara berättigade till ytterligare finansiering:upp till 5 miljoner USD under 24 månader.

I slutet av fas två, team förväntas leverera lösningar som påverkar samhällets behov i stor skala.

"Kvanttekniken och AI-drivna data- och modelldelningsämnen valdes baserat på gemenskapsinput och identifierade federala forsknings- och utvecklingsprioriteringar, sa Douglas Maughan, chef för NSF Convergence Accelerator-programmet. "Detta är programmets andra kohort, och vi är glada över att dessa team använder konvergensforskning och innovationscentrerade grunder för att påskynda lösningar som har en positiv samhällelig inverkan."

I simulatorprojektet ingår medarbetare från Columbia University, chefsutredare Sebastian Will, chefsutredarna Alex Gaeta och Nanfang Yu, och andra; Brookhaven National Lab, huvudutredarna Layla Hormozi och Gabriella Carini, och andra; City University of New York; Flatiron Institute; och industripartners från Atom Computing, QuEra, IBM, och Bloomberg.