Developing quantum simulations of particle interactions and trapped ions are two Institute for Quantum Computing research projects broadening disciplinary horizons and delivering real-world impact. Waterloo scientists Christine Muschik and Crystal Senko each received funding through the Government of Ontario's 2022 Early Researcher Awards program.
The standard model of particle physics is the bedrock for our understanding of Nature. Numerical simulations of subatomic physics are restricted due to inherent limitations of classical computers to simulate quantum properties. Thus, there is an inescapable need to find new methods to address numerous open fundamental questions. Quantum computers can in principle overcome these roadblocks. However, to reap the rewards of this opportunity requires the development of new quantum simulation tools for so-called gauge theories which underlay the standard model.
Christine Muschik, an assistant professor in the Department of Physics and Astronomy and member of the Institute for Quantum Computing, will develop the theoretical concepts to build these new types of quantum simulators, she will work with experimental partners on proof-of-concept demonstrations, and she will employ hybrid quantum-classical simulations that benefit from on machine learning.
By applying quantum technology to problems in particle physics, she will bridge two strong fields in Ontario, while establishing industry connections for knowledge transfer with Google and IBM.
Quantum computing is expected to revolutionize technology. However, a major challenge in building quantum computers is the difficulty of allowing them to make decisions: given this quantum information, what should the computer do next? This difficulty arises from the fact that reading the information that tells the computer which decision to make, often corrupts the remaining quantum data due to fundamental rules of quantum measurement. Trapped ions offer a promising path to viable, hardware-based quantum computing. Trapped ions are electrically charged atoms suspended inside a vacuum chamber with electrodes. Once ions are trapped, researchers can encode bits of information in the spin of their outer electrons.
Crystal Senko, an assistant professor in the Department of Physics and Astronomy, will develop novel techniques to protect some quantum information while other information is being read out. Senko is the Canada Research Chair in Trapped Ion Quantum Computing. This research will raise the profile of Ontario as a leader in quantum computing research, by informing the design of next-generation quantum computers that include decision-making capabilities.
The Early Researcher Awards program helps new researchers, working at publicly funded Ontario research institutions, build a research team. The award covers equipment costs and facility expenses as well as salaries and travel for student research assistants.
Congratulations Christine and Crystal!
Christine Muschik et Crystal Senko reçoivent chacune une Bourse de nouveau chercheur
La mise au point de simulations quantiques d’interactions entre particules et le calcul quantique à l’aide d’ions piégés sont deux projets de recherche de l’Institut d’informatique quantique qui transcendent les frontières entre disciplines et qui ont des répercussions concrètes. Christine Muschik et Crystal Senko, toutes deux de l’Université de Waterloo, ont reçu des fonds du gouvernement de l’Ontario dans le cadre du programme 2022 de Bourses de nouveaux chercheurs.
Le modèle standard de la physique des particules constitue l’assise de notre compréhension de la nature. Les simulations numériques de la physique subatomique sont restreintes par les limites inhérentes aux ordinateurs classiques concernant la simulation de propriétés quantiques. On doit donc absolument trouver de nouveaux moyens d’aborder de nombreuses questions fondamentales non résolues. Les ordinateurs quantiques peuvent en principe contourner ces obstacles. Cependant, pour profiter de ces possibilités, il faut mettre au point de nouveaux outils de simulation quantique des théories de jauge qui sous-tendent le modèle standard.
Christine Muschik, professeure adjointe au Département de physique et d’astronomie et membre de l’Institut d’informatique quantique, élaborera les concepts théoriques qui permettront de réaliser ces nouveaux types de simulateurs quantiques. De plus, elle travaillera avec des partenaires d’expérimentation sur des démonstrations de faisabilité et elle aura recours à des simulations hybrides quantiques-classiques bénéficiant de l’apprentissage automatique.
En appliquant la technologie quantique à des problèmes de physique des particules, elle fera le pont entre deux domaines de recherche où l’Ontario se distingue, tout en établissant des liens avec Google et IBM pour le transfert de connaissances au secteur privé.
On s’attend à ce que l’informatique quantique constitue une révolution technologique. Cependant, un défi majeur dans la construction d’ordinateurs quantiques réside dans la difficulté de la prise de décisions : étant donné une information quantique, que devrait faire l’ordinateur? Cette difficulté vient du fait que la lecture de l’information qui dit à l’ordinateur quelle décision prendre a souvent pour effet d’altérer les autres données quantiques, en raison des règles fondamentales de mesure des états quantiques. Les ions piégés constituent une voie prometteuse vers une mise en œuvre matérielle viable du calcul quantique. Les ions piégés sont des atomes chargés électriquement en suspension dans une chambre à vide munie d’électrodes. Une fois que les ions sont piégés, les chercheurs peuvent coder des bits d’information dans le spin des électrons de la couche externe de ces ions.
Crystal Senko, professeure adjointe au Département de physique et d’astronomie, mettra au point des techniques innovatrices pour protéger une partie de l’information quantique pendant la lecture d’autre information. Mme Senko est titulaire de la chaire de recherche du Canada en informatique quantique à ions piégés. Ses travaux rehausseront l’image de l’Ontario comme chef de file de la recherche en informatique quantique, en orientant la conception d’ordinateurs quantiques de la prochaine génération, qui auront une capacité de prise de décisions.
Le programme de Bourses de nouveaux chercheurs offre des fonds aux nouveaux chercheurs qui travaillent dans des institutions de recherche financées publiquement en Ontario, pour qu'ils forment une équipe de recherche. Ces bourses couvrent les coûts d’équipement, les dépenses liées aux installations, de même que les salaires et frais de déplacement d’étudiants employés comme assistants de recherche.
Félicitations à Christine et à Crystal!
