量子飞跃挑战研究所计划是旨在推进量子信息科学和工程前沿发展的一个大型跨学科计划，是量子飞跃计划的一部分。挑战研究所的研究将横跨量子计算、量子通信、量子模拟和量子传感等重点领域，通过多学科方式来实现这些领域内具体的科学、技术和研究人员队伍发展的目标。
计划提出背景
2018年12月，美国总统特朗普签署《国家量子计划法案》，计划未来10年内向量子研究注入12亿美元资金，由商务部国家标准与技术研究院（NIST）、美国国家科学基金会（NSF）和美国能源部（DOE）配合联邦政府共同落实量子计划。其中，法案提出了NSF的任务宗旨：量子基础研究与教育活动以及建立多学科量子研究与教育中心。目前，NSF正在积极推动量子飞跃挑战研究所（QLCI）计划，该项目与法案中多学科量子研究和教育中心的宗旨是一致的。
量子飞跃挑战研究所旨在加强跨学科的研究活动，在大学、非营利组织、行业和政府机构之间建立起新的伙伴关系，从而加速基础发现、技术发展和创新。研究所通过多途径研究，将物理、材料科学、数学、化学、计算机科学和生物学等领域的专业知识融合在一起。挑战研究所也将与工业界和其他研究机构展开合作，为教育、培训和研究队伍发展制定新的跨学科方法。结合这些因素，量子飞跃挑战研究所将促进一个可持续的创新生态系统，在这个生态系统中，可以根据需要利用来自不同学科、研究机构和行业的专业知识，克服量子信息科学和工程中在科学技术发展和研究队伍建设中遇到的挑战难题。同时，量子信息科学和工程的多学科性质也为更强大的、全新的科技研究方法带来希望，开创科学和工程领域内新的发展前景。
事实上，早在2016年，NSF就公布了一组“大构想”，即十个勇于创新的长期研究项目的构想。这组大构想通过汇聚不同学科的观点来支持融合研究，使美国保持全球科学和工程前沿的领导地位。量子飞跃挑战研究所计划是NSF的“大构想”之一，其扩大了NSF在量子信息科学和工程领域内的广泛投资。
量子信息科学与工程利用诸如叠加、干涉和纠缠等深奥的量子物理学理论来发展革命性的信息处理方法，这些方法包括量子计算、量子通信、量子模拟和量子传感。最近的发现和突破为这些迅速发展的领域提供了支持。然而，在实现量子信息科学与工程的全部潜力之前，必须克服几个基本的技术性挑战。这就是启动量子飞跃挑战研究所项目的动机。
量子飞跃挑战研究所计划的目标是适时支持大胆创新的研究计划，5年内在明确确定的或具有紧迫性的挑战目标上取得突破性进展，具体包括：在寻求明确确定的挑战目标的过程中，建立一个知识多样化的研究社区，推进量子通信、量子计算、量子模拟和量子传感领域的前沿研究；在量子信息科学与工程研究过程中与行业等建立伙伴关系，形成凝聚力、合作性，达到国家级规模；通过跨学科合作的基础研究、培训和创新课程，培养一支训练有素的、掌握量子信息科学与工程所需跨学科技能的研究人员队伍。
根据目前的发展水平和所取得的进展，现在组织建立挑战研究所是一个千载难逢的好时机。如今已有了多个用于量子模拟、量子计算和安全量子通信的原型平台，这些进展标志着一个新时代的到来，预示着十年前可望而不可及的一个新的科技发展机遇。新的研究和开发工作正在全球范围内展开，以探索更多的机遇，迎接更多的挑战。因此，通过挑战研究所项目刺激和加速美国的研究和创新，时机已然成熟。
量子飞跃挑战研究所的特点
QLCI计划将支持大学、研究机构或有资格的非营利组织，通过多学科研究方法，在量子信息科学和工程的科学和技术前沿关键领域内促进重大突破。鉴于QLCI项目旨在促进知识前沿研究，可能需要采取新形式的合作研究来应对前景最为看好的挑战任务。因此，挑战研究所的大小规模可能有所不同，也可能将采取不同形式的组织、合作和运作方式，以适应不同挑战任务的需要。
每个研究所都将有一位主管，全面负责研究所工作，领导一个多样化的跨学科团队，以实现研究所愿景；必须有一个能够反映研究所愿景和主要活动关键要素的战略规划，战略规划包括研究、教育和研究队伍发展，与其他机构的研究协调和伙伴关系以及基础设施建设；必须有一个管理和治理计划来指导研究所的运作，该计划包括全面管理结构、研究项目选择、咨询委员会建立和组成，以及负责研究所研究、教育和研究队伍发展等活动的不同部门主要研究者（PI）的信息资料。
考虑到量子信息科学和工程的迅速发展特性，挑战研究所须拥有在必要时候改变研究方向的能力和机制，以满足在研究所背景下不断变化的研究和技术需求。
量子飞跃挑战研究所的主要活动
每个量子飞跃挑战研究所将通过四个方面的主要活动来完成其使命：跨学科研究、教育和研究队伍发展、研究协调以及伙伴关系和基础设施的协同发展。
1. 研究领域
量子信息科学和工程建立在对各种体系结构、技术和硬件平台以及应用的理解基础上，其成熟过程跨越了一系列不同阶段。挑战研究所建议的研究主题包括但不限于：量子通信、量子计算、量子模拟和量子传感。挑战研究所的研究重点可能是一个主题领域，也可能涉及多个主题领域，每个研究所应对整体统一的研究主题有清楚的定位和认识。
安全远程通信量子网络 长距离安全量子通信是挑战研究所的一个主题。量子源、探测器、存储器和中继器等组件的开发以及用于生成、交换和验证纠缠的网络协议都面临巨大挑战。损耗、噪声、去相干和其他技术挑战，可能随着量子信号产生和处理的新理念以及材料、设备、技术和算法的发展而得到克服。例如，实现一个完全安全的全球量子通信网络的愿景，需要多个领域的基础性研究进展和技术创新，需要理论研究人员和实验人员来设计和开发原型和扩展平台。通过协同设计平台和测试平台来实现带宽、安全性、稳定性和具有可扩展性的系统级目标，可能将受益于基于工程、计算机科学、数学、材料科学和物理学融合基础上的全新方法。在挑战研究所内促进这种融合可能会提供额外的好处。
量子计算机软件集 提出、开发和实现一套完整的软件解决方案是挑战研究所的一个潜在主题，这些解决方案是创建高效实用的量子计算机所必需的。以现有的或即将推出的硬件平台、体系结构和电路开发算法、编译器、语言和编程解决方案，需面对大量科学和工程学上的挑战，这些技术挑战包括针对不同技术平台、不同应用程序的编程语言和算法、基准测试、验证、纠错技术和容错硬件平台，以及各种体系结构的开发。
此外，量子计算需要一个大胆的跨学科研究计划，涉及计算机科学和工程、数学、电气工程、化学、材料科学和物理等领域。挑战研究所汇聚的各学科科学家和工程师可促进量子协同处理、分布式量子计算、基于云的量子计算、框架和接口的发展。反过来，这些努力将让更广泛的研究群体受益于量子计算平台，从而进一步加速创新。
量子模拟算法、架构和平台 为量子模拟器开发算法、架构和平台是挑战研究所的另一个潜在主题。用其他更可控的量子系统，如捕获离子、超导电路或中性原子来模拟分子、材料或核物质的研究已奠定了许多基础。在电子电路中使用量子比特和量子门算法的数字方法、哈密顿工程或仿真模拟方法以及混合方法都是人们感兴趣的。以上研究主题面对的挑战包括开发模拟器架构、将一个系统映射到另一个系统、初始化量子状态、为量子状态的受控演化设计交互作用、抑制去相干等。
此外，与来自化学、生物学、材料科学、物理、数学、计算机科学和工程领域的专家合作，可有助于对量子模拟器的结果进行解释和开发新的应用。挑战研究所可促进这种融合，提供额外的新见解，例如更深入地理解熵、拓扑、纠缠、缺陷、噪声等是如何对多体量子纠缠系统产生影响的。量子模拟还可以提供一种革命性的方法来研究奇异形式的磁性或超导性物质的新状态，并发现可能的新应用，如在计量学中的应用。
量子传感 基于量子系统的计量和传感器技术是挑战研究所的另一个主题。从基本常数的精确测量到环境变量的监测，以及从量子态制备、操作和检测中获得计量优势的科学和工程，给我们提出了许多挑战，包括利用量子相干、叠加和干涉对纠缠光子、原子钟、原子干涉仪、核磁共振光谱仪和金刚石色心进行精确测量的挑战等。然而，优化系统结构、设计最佳输入态、利用量子纠缠及开拓量子传感器的新应用等，都是令人振奋的挑战。
利用纠缠光子和量子激发可以设计化学、生物和生化传感器，一个挑战研究所内同时研究其中的几个课题可促进传感器技术和测量科学的变革性进展。量子传感器开发中发现的基础原理和技术原理也将对量子信息科学和工程的其他应用产生影响，包括量子通信、量子计算和量子模拟等。
2. 教育、培训和研究队伍发展
量子技术的迅速发展和商业应用的持续进步，需要一支具有跨学科技能的、不断增长的研究队伍。QLCI计划旨在促进对学生的培训，使他们能够掌握新量子技术的概念模型以及发展和转化所需的各种技能。QLCI计划要求开展各种活动，包括与工业界合作等，促进学生在各种环境中的培训，使他们能够接触到融合为一体的各个学科，并帮助他们获得行业、国家实验室和学术界所需的资格和技能。
QLCI计划将通过课程开发、对不同主题研究项目的整合，为促进跨学科研究群体的发展提供机会。相关工作包括：在各学科（如计算机、电气工程、物理、材料、数学）开设新的学位课程，为跨部门共享的学位课程开发通用跨学科基础课程，通过跨部门协调促进跨学科研究；组织针对跨学科研究连接的会议；开发实验原型和测试平台；为学术界和工业界的合作、技术转让和商业化创造创业机会。
虽然量子技术在全球范围内的应用推广离我们还很远，但鼓励挑战研究所解决量子科学和工程领域的早期教育问题已刻不容缓，包括小学、中学和高中教育。与博物馆等组织的合作以及面向更广泛受众的宣传推广也将产生深远影响。
目前，量子信息科学与工程的研究与教学，很大一部分归于物理与材料科学系。这是一个跨学科的研究领域，对于想要进入这一研究领域的研究生来说，申请哪个系的博士学位并不总是很清楚的。重要的是，科学和工程的所有相关领域，包括计算机、电气工程、数学、化学和生物学，都越来越多地涉及量子信息领域。这些领域的研究群体都必须充分参与到课程的开发中来，以培养新一代的量子工程师，让他们都拥有使用量子器件和系统作为基本构建单元的能力，就像今天的科学家和工程技术人员对晶体管和集成电路的了解和应用能力一样。此外，他们还应提供相应的评估计划，以评估最成功和最有效的战略；同时让教育科学家参与研究，以评估在一个旨在解决跨学科挑战的研究所中汇聚各学科人才的研究团队是如何形成和发展的。
3.研究协调和社区参与
不同应用领域、不同研究群体在研究能力和跨学科合作方面的成熟度处于不同阶段。量子飞跃研究所将提供内部网络计划和外部网络计划，内部网络包括内部年度PI会议和相关的专题会议，参与QLCI计划的研究生、博士后研究人员都将对不同研究社区之间的合作起到协调和促进作用；外部网络包括与其他团队和相关部门的规划会议、研讨会和相应的协作机制。
这些活动的总体目标不仅是促进和加速挑战研究所团队的发现和创新，而且要在全国范围内让更广泛的研究群体参与挑战研究所相关领域的研究。这些活动将促进一个充满活力的多学科研究社区的发展，吸引各类机构和组织，并在量子信息科学与工程研究和研究队伍发展的各个方面促进新的交叉和融合。
4.伙伴关系和基础设施的协同发展
量子信息科学与工程正受到世界各国产业界和政府的重视。挑战研究所团队将与工业界、美国国家实验室和国际合作伙伴建立协同伙伴关系，以推进研究所的目标和宗旨。例如，美国公司正在开发多个量子计算技术平台，与挑战研究所的合作可能将加速其创新。同样，通信行业正在进行的关于安全量子通信的研究将是与挑战研究所进行富有成效合作的基础。其他工业部门，如量子传感应用，预计将加大研究和技术开发力度，为他们与挑战机构的伙伴关系开辟新的协同机遇。国家实验室在量子信息科学和工程研究和开发方面也具有诸多独特优势。
挑战研究所研究对这些伙伴关系的积极探索应予鼓励，并利用现有的基础设施资源来支持研究所的目标，包括相关的实验室设施，测试平台和网络基础设施，以促进培训和合作。
计划的资助方式
鉴于四个研究主题领域的技术成熟度不同，以及相应研究群体的参与程度、协调能力的不同，QLCI支持两种类型的奖励：（1）一年一度的概念构想（CG）奖，以支持团队对量子飞跃研究所的构想；（2）五年一次的挑战研究所（CI）奖，以建立和运营量子飞跃挑战研究所。
概念构想奖 CG奖提供了一个一次性机会，即在正式提交挑战研究所提案之前，可申请12个月的概念构想奖，旨在支持组建广泛融合的研究团队，制定一个具有前瞻性的全面愿景的挑战研究所提案，研究团队成员将参与潜在挑战主题下跨学科研究的早期孵化。资助金额在10万美元到15万美元之间。
CG提案将展示挑战研究所的愿景和团队的明确计划和潜力，提出明确的战略，确定某个挑战性研究的课题和相关重点领域、研究团队和其主要活动，为建立量子飞跃研究所提供支持和机会。CG活动的成果之一是建立的挑战研究所团队要拥有在量子信息科学和工程领域内开展研究的能力，CG奖项获得者将利用这些资金组织多项孵化活动，以帮助具体的实施。
挑战研究所奖 CI奖将为量子飞跃挑战研究所提供五年资金资助。资助金额预计在200万美元到500万美元，具体金额将根据研究所的研究课题、技术发展和研究队伍建设的需要，由NSF和获奖机构之间合作商定，资金增加数将取决于共同商定的目标、年度项目审查、实地考察等。
目前，NSF正在召集建立量子飞跃挑战研究所的提案，CG奖意向书申请截止到2019年4月1日，CI奖提案投标截止到2021年2月1日。响应这一征集活动的提案必须提交给多学科活动办公室，随后由NSF项目理事会的一个跨学科团队来管理。
一个好的、具有竞争力的QLCI计划提案应包括以下几个方面：挑战研究的主题和跨学科愿景——通过基础科学和工程领域的跨学科合作，建立长期愿景和目标明确的研究主题，以推进量子信息科学和工程的前沿发展；明确的目标和里程碑——制定明确的科学、算法和工程驱动型目标，并为五年运作设定具体的目标和里程碑；社区、利益相关者参与——通过多样化、一体化研究社区的建立和发展，推动实现研究所愿景；吸引不同学科人才，组建跨学科团队——通过合作、网络、研讨会或其他方式吸引人才并提出计划，包括研究的协调和队伍的组建；教育和研究队伍发展——大力创新，以加强和促进教育、跨学科培训、课程开发以及对量子智能研究队伍指导等活动；伙伴关系和基础设施发展——通过与大学、国家实验室、私营部门研究实验室、工业伙伴、非营利组织、州和地方政府实验室以及国际伙伴的合作与共享基础设施发展，实现愿景和目标；利用好加值合力——通过来自不同学科研究人员的集体努力，使量子信息科学和工程的变革性进展和技术创新更好地服务于国家和社会。
资料来源 NSF