2026年9月10日——在享有盛誉的美国国家科学基金会CAREER奖项支持下，西弗吉尼亚大学物理学家Subhasish Mandal正致力于为未来量子技术提供尚不存在的材料。

Mandal是西弗吉尼亚大学Eberly文理学院物理与天文系的助理教授，他将开发用于设计量子材料的计算机工具，这些材料是构建量子计算机和其他先进技术所必需的。

量子技术可能改变计算、通信和收集信息的方式。普通计算机使用比特，其值要么是0要么是1。量子计算机使用量子态，可以同时存在于多种可能的配置中。然而，构建有用的量子技术可能很困难，因为量子态非常脆弱，容易受到周围环境的影响。

Mandal的研究重点是理解和设计能够保护这些脆弱量子态的材料。他项目的一个重要部分涉及研究电子如何与材料内部原子的微小振动相互作用。这些相互作用强烈影响材料的量子特性，可能是创造更稳定量子技术的关键。

“量子技术最大的挑战之一是找到能够在精密控制的实验室环境之外保持量子行为的材料，”Mandal说。“为了克服这一挑战，我们需要理解电子之间如何相互作用，以及它们如何与材料中原子的自然振动相互作用。这些联合相互作用可以极大地重塑材料的量子特性，如果控制得当，可能有助于为未来量子技术设计更好的材料。”

Mandal将研究通过逐层堆叠不同物质（每次一个原子层）制成的特殊设计材料。就像在食谱中混合各种原料来创造全新的东西一样，在原子层面组合不同材料可以产生单一材料无法产生的量子特性。

利用先进的计算机方法和大规模模拟，Mandal的团队将研究电子和原子振动如何共同作用产生量子行为。这些过程可以帮助确定材料是否具有超导性等特殊性质，超导性允许电流在无能量损失的情况下流动。

Mandal还将关注拓扑量子态，这种量子态能够抵抗某些类型的干扰。科学家表示，他们相信将超导性和拓扑量子态相结合可能有助于创造未来量子计算机的基本构建模块。

他将开发免费软件，帮助研究人员发现新的量子材料，拓宽科学家获取先进计算机工具的渠道，并有望通过减少测试新材料所需的时间和资金来加速科学发现。

“研究人员不必在实验室中制造每一种可能的量子材料来观察哪些性能良好，而是可以首先使用该软件运行模拟，以确定最有前景的选项，”Mandal说。“然后科学家可以将实验室实验集中在最有可能具有有用量子特性的材料上。”

此外，Mandal还将创建关于量子科学与技术的通俗易懂的课程，在西弗吉尼亚大学组织沉浸式暑期研讨会，并为高中生、大学生和研究生提供实践机会，让他们学习在科学研究、先进制造、高性能计算和新兴量子产业中日益重要的计算机技能。

“随着量子技术从实验室走向实际应用，对既了解科学又掌握其背后工具的人才需求日益增长，”Mandal说。“这个项目使我们能够培训多个层次的学生，帮助他们为进入科学技术发展最快的领域之一做好准备。”

Mandal的奖项来自NSF的教职早期职业发展计划，这是该基金会为支持在研究和教育方面展现出学术榜样潜力的早期职业教职而设立的最负盛名的奖项。

“Mandal博士正处在一个极具创新性领域的前沿，”物理与天文系主任、Eberly物理与天文杰出教授Maura McLaughlin说。“这个项目提供的培训将为西弗吉尼亚州的学生打开新的机会，同时有助于建设对我们州未来增长至关重要的高技能技术人才队伍。”

Mandal于2022年加入西弗吉尼亚大学物理与天文系。2025年12月，他在量子材料方面的研究工作得到了《自然·通讯》的关注，他还获得了科学促进研究公司颁发的2026年Cottrell学者奖。他的研究团队——计算量子材料组——得到了美国能源部、美国国家科学基金会、美国国防部和科学促进研究公司等机构和基金会的支持。

“长期目标是在材料尚未在实验室制造之前，就创造出一种方法来预测哪些材料可能对量子技术有用，”Mandal说。“如果我们能够找到天然支持量子态的材料或材料组合，就能帮助为可能在未来数十年造福社会的新量子技术奠定基础。”