2016年美国国家科学基金会（NSF）公布了“十大创意研究”（10 Big Ideas），“实现量子飞跃”为其中一项长期研究与投资方向。2018年11月，NSF发布“实现量子飞越：针对量子系统变革进展的量子创意孵化器”项目指南^[1]，旨在探索极具创新力和颠覆力的方法，开发和应用量子科学、量子计算及量子工程，实现量子传感、量子通信、量子模拟和量子计算系统的突破。“量子创意孵化器”项目建议从基础科学、通信/计算/建模、设备与工程系统这三大方面展开研究。

　　一、基础量子科学

　　随着基本物理原理（如连贯性、叠加性和纠缠性）应用于粒子、分子原子和类原子系统，量子信息科学不断飞速发展。诸如超导量子位、量子点和量子光学等技术也在推进量子信息科学的发展。更长相干时间、更高保真度的量子态制备和读取，以及操纵单个和多个量子比特系统的更多控制方法，都在推动诸如数学概念、理论模型和计算算法的实现，以及量子模拟、量子通信网络和量子增强测量技术的应用。NSF鼓励开展相关研究以更好地理解量子化学——量子行为在生物过程、高温超导、磁性、拓扑物质、热力学、量子电动力化学、大规模纠缠生成和测量、混合量子系统、量子退火、量子断层扫描、量子控制、量子通信、量子计算和量子模拟方面的作用。

　　研究内容可包括：针对量子信息处理系统与架构的设计、分析和开发的基础概念与技术。针对量子信息系统的模拟，以用于解释复杂的实验结果，描述量子系统与其环境之间的相互作用，以及描述传统世界和量子世界的接口。

　　需要新的基本概念和组织原则，以组装各种复杂材料（包括化学系统、生物分子和软物质），开发新材料，以及验证理论预测，最终从量子现象中获得益处。尽管量子材料领域近期已被证明取得显著进展，但仍需要进行基础研究，以确定满足特性的量子材料，以及解决会影响合成、特性和功能控制等相关的挑战。

　　二、量子通信/计算/建模

　　需开发计算机以及计算机科学与工程方法，来设计更高层次抽象化的量子系统、设备和组件。该指南鼓励量子通信和量子计算各方面的研究工作，包括：开发设计量子算法，量子系统和量子计算的建模和仿真，研究/开发量子编程语言和环境以及编译程序的方法，开发适用于量子计算机的应用程序，研究量子架构、量子电路合成与优化、布局调度和实际容错，以及开发量子计算机软件堆栈和将设备集成到系统中的其他工作。量子通信挑战包括但不限于：片上通讯、网络、建立安全且高效的通讯协议、量子信息理论和量子通信复杂性。

　　该指南鼓励专注于理论、建模和模拟研究以强化对各层级功能化量子设备的理解并推动其设计：从最原始的量子元素层级（如原子、自旋、纠缠光子、拓扑绝缘体等）到量子构建块层级（如量子位、量子传感元素、检测器等）再到功能性量子系统层级。尤其鼓励针对新量子设备概念的理论创新，以加速量子革命的演进。该指南也鼓励量子计算机软件栈的开发，不限于新的操作系统、编译器、编程语言和软件开发工具箱。

　　三、量子设备和工程系统

　　过去十多年，随着基础量子科学、材料和纳米技术的同步发展，量子信息设备、电路、系统和网络的工程化逐渐成为现实。大量不同成熟度水平的平台和量子功能正被积极探索。然而，由量子传感、通信、计算或仿真等应用驱动的性能指标定义以及关键绩效理解正处于起步阶段。研究人员需要打造创新框架：利用先进技术来实现实用且可拓展的量子功能与量子系统，同时实现与应用需求相称的性能。其他研究内容还可包括：开发用于生成、传播、通信、处理以及感知和测量集成在不同设备和平台的量子信息的新方法和系统架构；确定适当的性能指标，以及用于评估和表征性能指标的建模方案和实验平台。

　　需开发材料工程和加工新方法，来完成量子材料制造并将之集成到量子设备和量子系统，同时也需研究不同规模、不同材料组和多功能性的设计和构造。量子材料和量子设备基础研究不可或缺的一部分即解决制造相关的调整，包括：可拓展性、可定制性、可重复性、可控性、良率、可持续性和效率等，并得到基于模型的实验验证和工艺验证的支持。最终目标是开发用于量子材料、量子设备和量子系统的纳米制造工具和平台。                                                 （田倩飞）