Инициатива MIT в области квантовых технологий обретает форму, используя квантовые прорывы для определения будущего научного и технологического прогресса.
Данна Фридман ищет первых последователей. Она является директором факультета зарождающейся Инициативы MIT в области квантовых технологий, или QMIT. В этой новой роли Фридман формирует амбициозные усилия всего Института по применению квантовых достижений для решения наиболее важных задач в науке, технологиях, промышленности и национальной безопасности.
Междисциплинарное начинание, новейшая из стратегических инициатив президента MIT Салли Корнблут, объединит исследователей MIT и экспертов из различных отраслей, чтобы определить и решить практические задачи, где квантовые решения могут оказать наибольшее влияние.
«Мы уже видели, как прогресс в области кванта создал возможности для переосмысления будущего безопасности и шифрования, представления новых способов навигации и даже более точного измерения гравитационных волн для наблюдения за космосом совершенно новым способом», — говорит Фридман, профессор химии имени Фредерика Джорджа Кейеса. «Что мы можем сделать дальше? Мы инвестируем в потенциал кванта и в то, какое наследие останется через 20 лет».
QMIT: название и планы
QMIT — название является отсылкой к «кубиту», основной единице квантовой информации — официально запустится 8 декабря. В этот день пройдёт мероприятие, которое продлится весь день. Со временем инициатива планирует создать физическое пространство в центре кампуса для академического, общественного и корпоративного взаимодействия с передовыми интегрированными квантовыми системами.
За пределами кампуса MIT QMIT также будет тесно сотрудничать с правительством США и Лабораторией MIT Lincoln, применяя возможности лаборатории в разработке квантового оборудования, системном инжиниринге и быстром прототипировании для решения задач национальной безопасности.
«Инициатива MIT в области квантовых технологий использует своевременную возможность для повышения научной, экономической и технологической конкурентоспособности страны», — говорит Ян А. Вейтц, вице-президент MIT по исследованиям. «Когда квантовые возможности достигнут переломного момента, QMIT будет привлекать студентов и исследователей из всех наших школ и колледжей, а также компании по всему миру, чтобы обсудить, как изменение в области восприятия и вычислительной мощности повлияет на широкий спектр областей. Невероятные возможности существуют в области здравоохранения и наук о жизни, фундаментальных физических исследований, кибербезопасности, материаловедения, восприятия окружающего мира и многом другом».
Определение правильных вопросов
Квантовые явления являются основополагающими для нашего мира, как свет или гравитация. На чрезвычайно малом уровне взаимодействия атомов и субатомных частиц подчиняются другому набору правил, чем физические законы макромира. Эти правила называются квантовой механикой.
«Квант, в некотором смысле, лежит в основе всего», — говорит Фридман.
Используя квантовые свойства, квантовые устройства могут обрабатывать информацию с невероятной скоростью для решения сложных задач, которые невозможно решить на классических суперкомпьютерах, а также для обеспечения сверхточного восприятия и измерения. Эти улучшения скорости и точности станут наиболее мощными, когда будут оптимизированы применительно к конкретным случаям использования и как часть полной квантовой системы. QMIT будет сосредоточена на сотрудничестве между различными областями для совместной разработки квантовых инструментов, таких как компьютеры, датчики, сети, симуляторы и алгоритмы, наряду с предполагаемыми пользователями этих систем.
Организация QMIT
По мере развития QMIT будет организована в виде программных столпов под руководством ведущих исследователей в области кванта, включая Паолу Каппелларо, профессора инженерного дела и профессора ядерной науки и техники и физики; Исаака Чуанга, профессора Джулиуса А. Страттона в области электротехники и физики; Пабло Харилло-Эрреро, профессора физики имени Сесила и Иды Грин; Уильяма Оливера, профессора электротехники и компьютерных наук имени Генри Эллиса Уоррена (1894) и профессора физики; Владана Вулетича, профессора физики имени Лестера Вулфа; и Джолилин Йодер, заместителя руководителя группы квантовых вычислений в Лаборатории MIT Lincoln.
Поддерживая ядро квантовых исследований в области физики, инженерии, математики и информатики, QMIT обещает расширить сообщество на его границах в астрономию, биологию, химию, материаловедение и медицину.
«Если вы создадите основу, которую кто-то сможет интегрировать, это значительно ускорит прогресс», — говорит Фридман. «Возможно, мы хотим выяснить, как наш квантовый симулятор может моделировать фотосинтез, если это правильный вопрос — или, возможно, правильный вопрос — изучить 10 неудачных катализаторов, чтобы понять, почему они не сработали».
«Мы собираемся выяснить, какие реальные проблемы существуют, к которым мы могли бы подойти с помощью квантовых инструментов, и работать над ними в течение следующих пяти лет», — добавляет она. «Мы изменим импульс развития кванта таким образом, чтобы поддержать его влияние».
Инициатива MIT в области квантовых технологий будет административно размещена в Исследовательской лаборатории электроники (RLE) при поддержке Управления вице-президента по исследованиям (VPR) и Управления инноваций и стратегии.
QMIT является естественным расширением Центра квантовой инженерии MIT (CQE), исследовательской организации, которая объединяет более 80 главных исследователей по всему кампусу MIT и в Лаборатории Линкольна, чтобы ускорить практическое применение квантовых технологий.
«CQE создала чрезвычайно сильную экосистему студентов и исследователей, взаимодействуя с правительственными спонсорами США и отраслевыми партнёрами, в том числе через популярную ежегодную конференцию по квантовым исследованиям (QuARC) и курсы профессионального развития», — говорит Марк Балдо, профессор электротехники имени Дугальда К. Джексона и директор RLE.
«При поддержке бывшего вице-президента по исследованиям Марии Зубер, бывшего директора Лаборатории Линкольна Эрика Эванса и Марка Балдо мы запустили CQE и группу отраслевого членства в 2019 году, чтобы помочь объединить исследовательские усилия MIT в области квантовой науки и техники», — говорит Оливер, директор CQE, который также проработал 20 лет в Лаборатории Линкольна, в последнее время в качестве научного сотрудника лаборатории. «Сейчас у нас есть важная возможность углубить нашу приверженность квантовым исследованиям и образованию, особенно в привлечении студентов со всего Института к размышлениям о том, как использовать квантовую науку и технику для решения сложных задач».
Два года назад Питер Фишер, профессор физики имени Томаса А. Фрэнка (1977), в качестве заместителя вице-президента по вычислительным и информационным технологиям в области исследований и данных, собрал группу преподавателей под руководством Каппелларо и с участием Балдо, Оливера, Фридмана и других, чтобы начать создание инициативы, которая охватила бы весь Институт. Теперь, опираясь на успех CQE, Оливер возглавит столп квантовых вычислений в новой Инициативе MIT в области квантовых технологий, который расширит работу CQE до более масштабных усилий, сосредоточенных на квантовых вычислениях, взаимодействии с промышленностью и взаимодействии с конечными пользователями.
Проблема «MIT-hard»
QMIT будет опираться на историческое лидерство Института в области квантовой науки и техники. Весной 1981 года MIT провёл первую конференцию по физике вычислений в Эндикотт-хаусе, собрав почти 50 исследователей в области физики и вычислений, чтобы обсудить практические перспективы кванта — интеллектуальный момент, который сейчас широко рассматривается как начало второй квантовой революции. (Первая была фундаментальной формулировкой квантовой механики 100 лет назад.)
Сегодня исследования в области квантовой науки и техники производят постоянный поток «первых» в лаборатории и растущее число стартапов.
В сотрудничестве с партнёрами в промышленности и правительстве исследователи MIT разрабатывают достижения в таких областях, как квантовое зондирование, которое включает использование систем атомного масштаба для измерения определённых свойств, таких как расстояние и ускорение, с чрезвычайной точностью. Квантовое зондирование может быть использовано в таких приложениях, как устройства для визуализации мозга, которые захватывают больше деталей, или системы управления воздушным движением с большей точностью определения местоположения.
Ещё одной ключевой областью исследований является квантовое моделирование, которое использует возможности квантовых компьютеров для точного моделирования сложных систем. Это может способствовать открытию новых материалов для энергоэффективной электроники или упростить идентификацию перспективных молекул для разработки лекарств.
«Исторически сложилось так, что, когда мы думаем о наиболее чётко сформулированных задачах, которые может решить квант», — говорит Фридман, — «лучшие из них исходили изнутри MIT. Мы открыты для технологических решений проблем и нетрадиционных подходов к науке. Во многих отношениях мы являемся первопроходцами».
Но она также проводит резкое различие между размышлениями о том, что может сделать квант, и глубоко технической, глубоко совместной работой по разработке дорожной карты. «Это проблема «MIT-hard»», — говорит она.
Мероприятие по запуску QMIT 8 декабря будет включать в себя доклады и дискуссии с участием преподавателей MIT, включая нобелевских лауреатов и лидеров отрасли.