Pittsburghský kvantový institut - Pittsburgh Quantum Institute - Wikipedia

Pittsburghský kvantový institut

Dřívější jména	Pittova kvantová iniciativa (2012–2013)
Založeno	2012 (2012)
Ředitel	Dr. Jeremy Levy
Umístění	Pittsburgh , Pensylvánie , NÁS.
webová stránka	www.pqi.org

The Pittsburghský kvantový institut^{[1][2][3][4][5]} (PQI) je multidisciplinární výzkumný ústav zaměřený na kvantové vědy a inženýrství v EU Pittsburgh kraj. Je to výzkumně intenzivní klastr.

Pittsburghský kvantový institut (PQI) byl založen v roce 2012 s misí „pomoci sjednotit a propagovat kvantovou vědu a inženýrství v Pittsburghu“. S finanční podporou od Dietrich School of Arts and Sciences na University of Pittsburgh, PQI poskytuje vedení v Pittsburghu v oblastech, které mají dopad na „druhou kvantovou revoluci“.

Členové PQI mají schůzky fakulty od Duquesne University, Univerzita Carnegie Mellon a University of Pittsburgh ve fyzice, chemii a technických oborech.^[6] Pittsburghský kvantový institut v současné době sestává ze 100 profesorů a jejich skupin, což je počet, který se každým rokem neustále zvyšuje s jmenováním fakult do různých oddělení členských institucí.

PQI sponzoruje a organizuje výzkumné semináře, panelové diskuse, veřejné přednášky a informační aktivity a podpisovou akci (PQI20XX v dubnu), která přináší tucet řečníků a veřejnou přednášku.

PQI podporuje postgraduální studenty s cenami za výzkum a cestování a sponzoruje dvě dobře navštěvované posterové relace ročně. Web PQI (www.pqi.org) zdůrazňuje výzkumné a výzkumné pracovníky, hostí více videí a poskytuje pravidelný zdroj informací souvisejících s komunitou PQI.

PQI také koordinuje s dalšími důležitými centry a zařízeními (Pittsburghské superpočítačové centrum, Petersenův institut pro nanovědy a inženýrství, Carnegie Mellon University Nanofabrication Facility a Centrum pro výzkumné výpočty ).

Základní vědecký výzkum

„Quantum“ pochází z latiny, což znamená „kolik“. Odkazuje na diskrétní jednotky hmoty a energie, které tvoří každý jeden objekt ve vesmíru. Fyzikální zákony, které řídí objekty v makroskopickém měřítku, jsou dobře pochopeny, a to jak vědecky, tak intuitivně. V atomovém a subatomárním měřítku se tyto „klasické“ zákony rozpadají. Na přelomu dvacátého století zpochybnila naše vnímání světa řada vědeckých krizí. To, co vyplynulo z tohoto období vědeckých nepokojů, byl vývoj kvantové mechaniky, teorie, která je stejně podivná, protože přesně předpovídá chování hmoty, povahu chemických vazeb a vlastnosti materiálů, jako jsou polovodiče a supravodiče.

Kvantová mechanika je pevným základem, na kterém spočívá celá fyzikální věda. Jedná se o studium systému z hlediska jeho nejzákladnějších (a nejmenších) složek, jako jsou elektrony, neutrony, fotony: částice, které také působí jako vlny - nebo jsou to vlny, které mají vlastnosti částic? V tomto atomovém měřítku, které se řídí Planckovou konstantou, se vlastnosti systému velmi liší od vlastností sypké hmoty. Toto odlišné chování vede k vznikajícím jevům, které nelze klasicky vysvětlit nebo vysvětlit.

Kvantová mechanika tak může předvídat nebo vysvětlovat různé jevy v různých systémech, od dobře zavedeného fotoelektrického jevu po přenos informací prostřednictvím zapletených kvantových objektů. Tyto jevy vyplývají z konceptů kvantové mechaniky; například dualita vln-částice umožňuje elektronům tunelovat přes klasicky nepřekonatelné bariéry, kondenzace elektronů do párů Cooper, která je základem supravodivosti, je možná pouze díky Pauliho principu vyloučení. Kromě toho jsou pro aplikace, které mohou způsobit revoluci v moderním světě, zkoumány dříve nepřístupné stavy hmoty, jako je fotonická hmota nebo topologické izolátory.

Všechny tyto kvantové jevy a mnoho dalších jsou základem technologií, které tajně napadají náš každodenní život. Kvantová mechanika je to, co řídí lasery nebo určuje vazbu léku na protein. Je základem interakcí světelné hmoty a spektroskopických technik.

Vědci z University of Pittsburgh, Carnegie Mellon University a Duquesne University pracují v různých oblastech fyziky, chemie a inženýrství směrem k široké škále aplikací. Zkoumají povrchy a heterojunkce, kvantové tečky a povrchy potenciální energie, nelineární optické systémy a zapletené qubity. Postulují, vyvíjejí, vyrábějí, charakterizují, počítají. Pittsburghský kvantový institut byl založen, aby spojil tyto klíčové hráče kvantové scény v jednotné, ale rozmanité komunitě pro podporu kvantového výzkumu.

Kvantová chemie

Teoretická chemie je tedy mocným nástrojem, který umožňuje buď vysvětlit experimentální měření, nebo předpovědět chování, která ještě nebyla pozorována. Vědci z Pittsburghského kvantového institutu používají a zdokonalují tyto nástroje a aplikují je na studium různých jevů a systémů. Metodický vývoj je důležitým bodem výzkumu PQI; na PQI jsou například vyvinuty stochastické přístupy, jako je metoda difúze Monte Carlo a analýza rozkladu energie.

Dynamické simulace se používají k modelování vývoje systému v čase s aplikacemi v biochemii nebo biofyzice, kde lze zkoumat transport iontů v biologických kanálech nebo skládání a vázání proteinů. Výpočetní design léčiv je také jednou z nejreprezentativnějších aplikací výpočetní chemie, protože u tisíců sloučenin lze snadno a rychle prověřit kompatibilitu z hlediska struktury a energetiky. Podobně lze obrovský konfigurační prostor struktury a vlastností materiálů prozkoumat pomocí simulací směrem k budování funkčních zařízení zdola nahoru, návrhu elektrolytů pro baterie nové generace, identifikaci biomateriálů pro aplikace pro skladování a separaci energie nebo charakterizaci optimálních struktur pro organické a hybridní solární články.

Vědci PQI studují základní chemické síly, které řídí složení, atomovou strukturu a optoelektronické vlastnosti nanočástic pro aplikace v oblasti sanace prostředí a katalýzy. Dalším výzkumným záměrem je použití různých analytických metod k prozkoumání mechanismu enantioselektivity mezi chirálními vzorky, jako jsou tenké filmy a peptidy. Podobně se schopnosti hmotnostního spektrometru iontové pasti využívají k objasnění struktury, stanovení relativní stability a zkoumání obecných vzorců chemické reaktivity komplexů kovových iontů v plynné fázi.

Kvantové výpočty

Vědci PQI pracují na různých aspektech kvantového výpočtu a informací. Probíhá vývoj v teorii informací i v kvantových algoritmech. Platformy Qubit, jako jsou supravodivé mikrovlnné obvody a Majorana Fermions v polovodičových nanodrátech, jsou navrženy pro kvantové výpočty. Kvantová simulace je dalším přístupem ke kvantovému výpočtu; experimentálním tahem je návrh platformy 1D kvantové simulace v pevné fázi, kterou lze ovládat na nanoměřítku, zatímco teoretický přístup spočívá ve vývoji výkonných numerických metod, které by otevřely dveře rychlejším a přesnějším simulacím různých nových a exotických kvantové systémy na klasickém počítači.

Kvantové inženýrství

Paměťová zařízení

Chcete-li opakovaně zapisovat, ukládat a načítat data na paměťová zařízení, musí být tato energeticky nezávislá, tj. Musí uchovat informace, i když je zdroj napájení vypnutý. Tato zařízení by také měla mít vysoké rychlosti zápisu a časy pro čtení i ideální nekonečný počet cyklů čtení a zápisu. Kromě toho by byly přenosné, odolné a odolné vůči různým neštěstím. Výzkumníci PQI se podílejí na syntéze nových elektronických materiálů, jako jsou binární a komplexní oxidy, amorfní slitiny chalkogenidů a 2D materiály. K výrobě zařízení pro aplikace pro ukládání dat používají nejmodernější techniky, jako je Molecular Beam Epitaxy, nanolitografie, rozprašování nebo pulzní laserové nanášení.

Senzory

S miniaturizací všech elektronických zařízení a pokrokem v nanotechnologii jsou senzory čím dál menší a efektivnější. Na nanoměřítku mohou být senzory navrženy tak, aby využívaly vznikajících elektrických, mechanických, chemických, katalytických a optických vlastností, které vyplývají z jejich kvantově mechanického chování. Výzkumníci PQI navrhují nová speciální optická vlákna a vyvíjejí nová schémata snímání distribuovaných vláken založená na nových piezoelektrických materiálech, jejichž tvar je upraven v reakci na elektrické pole, pro aplikace jako senzory pro monitorování energie, bezpečnosti a zdraví struktur.

Solární články

Solární články jsou zařízení, která přeměňují energii ze slunečního světla na elektrický proud; proto se jim také říká fotovoltaické články. Jsou velkým příslibem jako zdroj obnovitelné a čisté energie a pomohly by řešit rostoucí celosvětové energetické nároky. Výzkumníci PQI navrhují a vyrábějí solární články skládající se z různých materiálů, které vykazují výjimečné transportní vlastnosti, které vyplývají z důmyslných nových struktur. Výpočetní metodiky jsou rovněž vyvíjeny směrem k racionálnímu návrhu nových organických materiálů solárních článků.

Kvantová hmota a jevy

Teorie kondenzovaných látek

Vědci PQI pracují na predikci nebo charakterizaci kvantové hmoty a kvantových jevů. Mají odborné znalosti v oblasti vlastností ultrachladných atomových systémů, dynamiky kvantových systémů mnoha těl, topologických jevů vznikajících spojením spin-orbita a interakcí mezi těly a simulací kvantových systémů.

Výpočetní fyzika

Statistická mechanika, kvantová mechanika a počítačové simulace se také používají ke zkoumání struktury, stability a vlastností nových materiálů, jako jsou slitiny s vysokou entropií, tekuté kovy a kvazikrystaly. Metodický vývoj, například v relativistické teorii vícenásobného rozptylu a vysoce výkonných výpočtech, ve spolupráci s Pittsburgh Supercomputing Center.

Kvantové jevy

Z experimentálního hlediska vědci PQI studují kvantové chování různých systémů, jako je supravodivost, frakcionace náboje a krystalizace ve van der Waalsových heterostrukturách; kolektivní chování polí nanočástic, ve kterých se očekává vznik fázových přechodů superparamagnetického na feromagnetický a izolátoru na kov; strukturní a elektronické vlastnosti polovodičových materiálů a zařízení pomocí skenovacího tunelového mikroskopu; a elektricky řízený feromagnetismus na rozhraní komplexních oxidů. Zaměřují se také na vývoj souboru nástrojů založených na nukleární magnetické rezonanci, kvantové optice, kvantové informační vědě, chemii a nanovědách pro kvantovou kontrolu systémů kondenzovaných látek.

Kvantová optika

Výzkum Pittsburghského kvantového institutu přinesl řadu vzrušujících výsledků v oblasti optiky a fotoniky, včetně flexibilních obvodů světelných vln ve skleněných substrátech, nelineárních optických topologických izolátorů a vysoce symetrických optických vlnovodů s nízkými ztrátami ve flexibilních skleněných substrátech, které jsou tepelně stabilní při vysokých teplotách.

Spektroskopické techniky, jako je fluorescenční spektroskopie, 2-dimenzionální infračervená spektroskopie, Ramanova spektroskopie, 2-fotonová fotoemisní spektroskopie, se používají k sondování různých systémů od iontových kapalin přes polymery po kovové povrchy.

Filozofie a vzdělávání

PQI počítá mezi své počty členů fakulty, jejichž oblast odbornosti je v historii a filozofii fyziky s důrazem na relativitu, kvantovou teorii, statistickou fyziku, teorii chaosu a termodynamickou nevratnost. Rovněž je zkoumána rozhodující a rozhodující role matematiky při tvorbě a aplikaci fyzikálních teorií. Naši vědci se navíc zajímají o širší témata filozofie vědy, jako jsou otázky kauzality, času, nelokality a ontologie, přístupy k teorii potvrzení, nekonzistence v teoriích a myšlenkové experimenty, se zvláštním zájmem v Einsteinově těle práce na speciální a obecné relativitě.

Kvantová mechanika je ze své podstaty neintuitivní a má koncepty, které se velmi liší od principů klasického světa, ve kterém se pohybujeme. Tyto koncepty mohou být těžko uchopitelné a ještě těžší je vysvětlit. Člen PQI Chandralekha Singh zkoumá pedagogické přístupy k výuce kvantové mechaniky na vysokoškolské i pokročilé úrovni. Úzké vazby s místní střední školou Taylor Allderdice navíc nabízejí možnost fakultě PQI propagovat kvantové vědy a inženýrství další generaci a studentům středních škol nahlédnout během terénních akcí do každodenního života kvantového vědce.

Vědecký dosah

Členové fakulty a studenti PQI se účastní přednášek na výročním sympoziu PQI a účastí na dalších externích akcích, kde předvádějí svůj výzkum ve snaze propagovat kvantové vědy. Institut se rovněž podílí na informačních programech zaměřených na střední školy, vysokoškolské školy a širokou veřejnost.

Kromě hostování přednášejících z celého světa v oblasti kvantové vědy PQI hostí nebo se účastní řady významných vzdělávacích akcí v Pittsburghu:

• PQI2018
• Science2017 - poster poster ^[7]
• PQI2017: Kvantové revoluce ^[8]
• Přednáškové série Ženy v kvantové vědě a inženýrství ^[9]
• Science2016: Game Changers - poster session ^[10][11]
• PQI2016: Kvantové výzvy^[12]
• Science2015: Unleashed! - posterová relace^[13]
• PQI2015: Kvantová koherence
• PQI2014: Quantum Technologies
• PQI2013: Kvantová hmota

Dějiny

PQI, původně definovaná jako Pittova kvantová iniciativa, byla založena v roce 2012^[1][14] pomoci sjednotit a propagovat kvantovou vědu a inženýrství v Pittsburghu.^[1][14] Pittova kvantová iniciativa byla podporována a financována Úřadem probošta pro výzkum University of Pittsburgh. Poté vice-probošt Dr. George Klinzing jednal se spoluzakladateli Dr. Jeremy Levy^{[15][16][17][18]} a Andrew Daley oficiálně zahájili iniciativu v září 2012. PQI se nakonec institucionalizoval v roce 2014.

"Kvantová fyzika je oblast, kde má Pitt nejen dobře zavedenou pověst, ale kde její síla a pověst rychle rostou zavedením mnoha nových skupin v průběhu několika posledních let," řekl člen poradního výboru PQI Andrew Daley, poté odborný asistent na Pittově katedře fyziky a astronomie.^[1]

Organizace

Kanceláře zaměstnanců Pittsburghského kvantového institutu v současné době zabírají prostor v historické části Thaw Hall ^[19] na kampusu University of Pittsburgh. Během svého vzniku sdíleli zaměstnanci PQI pracovní prostor s výzkumnou skupinou Dr. Jeremy Levyho^[15] dokud nebyly v létě 2015 zřízeny vyhrazené kancelářské prostory.

Fakulta PQI a studenti pobývají v kancelářích a laboratořích poskytovaných příslušnými mateřskými univerzitami.Souřadnice: 40 ° 26'40 ″ severní šířky 79 ° 57'12 ″ Z / 40,444565 ° N 79,953274 ° W / 40.444565; -79.953274

Představenstvo

Výkonná rada,^[19] pod vedením ředitele Dr. Jeremyho Levyho zahrnuje tucet fakult ze všech tří institucí, stejně jako Dr. Andrew Daley, který si i přes přesunutí své laboratoře do laboratoře ponechal čestné místo spoluzakladatele University of Strathclyde, Skotsko, na podzim roku 2013.

Logo

Logo PQI ^[20] byl navržen pomocí široce používaného Diracova notace, díky čemuž je kvantová komunita okamžitě rozpoznatelná.

Reference

externí odkazy

• Oficiální webové stránky
• „Pittsburghský kvantový institut“. Katedra fyziky a astronomie, University of Pittsburgh
• „Pittsburghský kvantový institut (PQI)“. Teoretická a výpočetní chemie na University of Pittsburgh
• „Pittsburghský kvantový institut“. nanowerk.