Pisanie wniosków grantowych w dziedzinie obliczeń kwantowych

Jako lider inicjatywy kwantowej prawdopodobnie wiesz, jak pisać wnioski grantowe. Nie byłoby pożyteczne powtarzanie tutaj tego, co już wiesz. Zamiast tego przyjrzymy się kilku przykładowym praktykom ogólnego pisania wniosków grantowych i odniesiemy je do przestrzeni obliczeń kwantowych. Jasne jest, że IBM Quantum® nie może powiedzieć Ci, jak wygrywać granty; każda agencja finansująca ma własne priorytety, a każda grupa badawcza ma własne mocne strony. Możemy jednak podzielić się z Tobą tym, jakie rezultaty uważamy za wykonalne, użyteczne i ekscytujące, a także naszą perspektywą na tę dziedzinę.

W tym przewodniku przeanalizujemy następujące znane praktyki pisania wniosków grantowych z perspektywy obliczeń kwantowych:

Ogólne praktyki

Wyszukiwanie grantów

Zacznij od dokładnego przeglądu dostępnych grantów, aby zwiększyć szanse i zoptymalizować dopasowanie.
Dopasuj inicjatywy agencji (zarówno cele strategiczne, jak i harmonogramy).

Przed napisaniem wniosku (te elementy są wymienione w samym wniosku)

Przeprowadź wstępne prace jako dowód słuszności koncepcji i podkreśl je we wniosku (najlepiej prace, które zakończyły się sukcesem, ale nie mogą być rozwinięte bez finansowania).
Wykaż inicjatywę w budowaniu współpracy (wewnątrzuczelnianej, regionalnej przez QIC, krajowej).
Ubiegaj się o finansowanie zalążkowe i zdobywaj je jako mnożnik późniejszych wyników grantowych.

We wniosku

Odnieś się do powyższych wstępnych prac.
Zaproponuj realistyczne prace pod względem harmonogramów, własnych zasobów kadrowych, stanu nauki, współpracy i funduszy.
Opisz zasoby instytucjonalne, infrastrukturę i partnerstwa zwiększające wykonalność.
Wykaż, że problem, którym się zajmujesz, jest ważny i nierozwiązany. Podkreśl to opanowanie najnowszego postępu w dziedzinie.
Opisz wiedzę i kwalifikacje zespołu badawczego.
Wymień konkretne, realistyczne wyniki biorąc pod uwagę wnioskowane zasoby i ograniczenia czasowe.
Uznaj ryzyka i zaproponuj realistyczne strategie ich łagodzenia.
Zapewnij jasne, spójne podejście z konkretnymi metodami, zbiorami danych, działaniami, kamieniami milowymi i punktami decyzyjnymi.
Odnieś się do rygorystyczności i odtwarzalności, w tym jakości danych, kontroli, analizy i udostępniania.
Nawiąż połączenia między środowiskiem akademickim a przemysłem oraz szerszy wpływ ogólnie.

Sugestie specyficzne dla obliczeń kwantowych

Wiele z tych praktyk wiąże się ze szczególnymi wyzwaniami w zastosowaniu do obliczeń kwantowych. Na przykład badania nad obliczeniami kwantowymi są często bardzo interdyscyplinarne, angażując badaczy z fizyki, matematyki i informatyki, a także z obszarów zastosowań, takich jak nauka o materiałach, chemia i wiele innych. Może to utrudniać wykazanie niezbędnych kompetencji w danym zespole badawczym. Wczesna współpraca między grupami może łagodzić tę trudność. W poniższych akapitach opisujemy kilka kluczowych kwestii dotyczących wdrażania tych praktyk we wnioskach grantowych dotyczących obliczeń kwantowych.

Wyszukiwanie grantów

Zacznij od dokładnego przeglądu dostępnych grantów, aby zwiększyć szanse i zoptymalizować dopasowanie.
- Obliczenia kwantowe to bardzo aktywna dziedzina badań, wspierana przez wiele rządowych instytucji finansujących, w tym NSF, DoE, DoD, DARPA w Stanach Zjednoczonych, EU Horizon/Quantum Flagship w Europie i wiele innych.
- Istnieje wiele inicjatyw na poziomie stanowym lub regionalnym skupionych na ekonomicznych skutkach obliczeń kwantowych.
- Kładzie się duży nacisk na potrzebę siły roboczej gotowej na kwantyzację; wiele grantów będzie przynajmniej wymagać (jeśli nie koncentrować się na) edukacji i rozwoju siły roboczej.
- Zobacz sekcję poniżej dotyczącą grantów specyficznych dla obliczeń kwantowych i udanego pisania wniosków.
Dopasuj inicjatywy agencji (zarówno cele strategiczne, jak i harmonogramy).
Wiele możliwości finansowania stanowych i krajowych docenia podnoszenie kwalifikacji, przekwalifikowanie i szkolenia pracowników, a także tworzenie miejsc pracy.
Rozważ budowanie połączeń między środowiskiem akademickim a przemysłem, a także między edukatorami i instytucjami z doświadczeniem w rozwoju siły roboczej.

Przed napisaniem wniosku (te elementy są wymienione w samym wniosku)

Wstępne prace jako dowód słuszności koncepcji (prace, które zakończyły się sukcesem, ale nie mogą być rozwinięte bez finansowania).
- Bardzo wczesne prace można wykonywać za pomocą IBM Quantum Open Plan. Do wstępnej eksploracji skalowania rozważ IBM Quantum Flex Plan lub Pay-as-you-go Plan. Zobacz plany dostępu IBM Quantum, aby uzyskać więcej informacji.
Wykaż inicjatywę w budowaniu współpracy (wewnątrzuczelnianej, regionalnej przez Quantum Innovation Centers, krajowej).
Ubiegaj się o finansowanie zalążkowe i zdobywaj je jako mnożnik późniejszych wyników grantowych.
- Program Quantum Credits od IBM Quantum może być bardzo przydatny do pokazywania wstępnego dowodu słuszności koncepcji i demonstrowania historii udanego pisania wniosków. Program jest otwarty dla głównych badaczy na uniwersytetach i laboratoriach krajowych. Nie jest dostępny dla studentów ani członków szerszej społeczności kwantowej.

We wniosku

Odnieś się do powyższych wstępnych prac.
Zaproponuj prace, które są realistyczne pod względem harmonogramów, własnych zasobów kadrowych, stanu nauki, współpracy i funduszy.
- Szacujemy, że minimalny dostęp do nowatorskich badań nad obliczeniami kwantowymi wymaga 400 minut, co jest minimalnym limitem zakupu dla oferty Flex. Rzeczywiste potrzeby będą się różnić w zależności od projektu.
- Zazwyczaj potrzeba więcej niż 400 minut, więc zadbaj o przydzielenie realistycznej ilości czasu QPU w chmurze.
- Zapoznaj się z aktualnym stanem czasu wykonywania zadań, liczbą qubitów i tym podobnymi.
- Miej na uwadze, że aplikacje o największym wpływie prawdopodobnie będą korzystać zarówno z obliczeń kwantowych, jak i wysokiej wydajności.
Advantage tracker oferuje szybki przegląd obliczeń kwantowych, które przekraczają granice tego, co można osiągnąć dzisiaj. Opisz zasoby instytucjonalne, infrastrukturę i partnerstwa zwiększające wykonalność.
- Współpraca między dyscyplinami — jak informatyka, fizyka, matematyka, chemia i inne — może pomóc.
- Sprawdź, czy w Twoim obszarze działa regionalny Quantum Innovation Center (QIC). Ich ekspertyza techniczna, dostęp do najnowszych systemów i znajomość krajobrazu czynią z nich cennych współpracowników.
- Jeśli Twoja instytucja ma centra związane z obliczeniami kwantowymi, np. w cyberbezpieczeństwie, logistyce lub biochemii, sprawdź, czy mają dostępne doświadczenie, zainteresowanie lub inne zasoby.
Wykaż, że problem, którym się zajmujesz, jest ważny i nierozwiązany, pokazując opanowanie najnowszego postępu w dziedzinie.
Opisz wiedzę i kwalifikacje zespołu badawczego.
- Zaprezentuj interdyscyplinarne doświadczenie: fizycy kwantowi, inżynierowie urządzeń, teoretycy algorytmów oraz ekspertyza HPC do hybrydowych uruchomień.
- Doświadczenie w obszarach zastosowań, takich jak chemia, biochemia lub nauka o materiałach, może pomóc w budowaniu argumentów na rzecz szerokiego wpływu ekonomicznego.
- Podkreśl członkostwo w IBM Quantum Network lub kredyty w chmurze.
Wymień konkretne wyniki, które są realistyczne biorąc pod uwagę wnioskowane zasoby i ograniczenia czasowe.
- Może to być szczególnie trudne ze względu na tempo i nowatorstwo obliczeń kwantowych.
- Upewnij się, że wiarygodne wyniki obejmują benchmarking, porównania metod, badania skalowania nowych algorytmów lub nowych podejść, podnoszenie kwalifikacji, przekwalifikowanie i edukację.
- Obliczenia koncepcyjne, po których następują badania skalowania, mają większe szanse na powodzenie w okresie finansowania niż wielkoskalowe, bardzo głębokie obwody i podejścia długoterminowe.
Uznaj ryzyka i zaproponuj realistyczne strategie ich łagodzenia.
- Będzie to się różnić dla każdego badania, ale wstępne prace z użyciem Flex Plan lub partnerstwo z QIC pomogą Ci zidentyfikować obszary niepewności.
- Uwzględnij strategie łagodzenia ryzyka. W tym miejscu "łagodzenie" odnosi się do wszelkich trudności projektu, ale upewnij się, że opisujesz zamierzone użycie dosłownych strategii łagodzenia błędów, aby pokazać, że będziesz uzyskiwać najwyższą możliwą wydajność z nowoczesnych komputerów kwantowych.
Zapewnij jasne, spójne podejście z konkretnymi metodami, zbiorami danych, działaniami, kamieniami milowymi i punktami decyzyjnymi.
Odnieś się do rygorystyczności i odtwarzalności, w tym jakości danych, kontroli, analizy i udostępniania.
- Uwzględnij zobowiązania do otwartego oprogramowania (na przykład rozszerzenia Qiskit), aby spełnić mandaty NSF dotyczące udostępniania danych i umożliwić szerszy wpływ.
Nawiąż połączenia między środowiskiem akademickim a przemysłem oraz szerszy wpływ ogólnie.

Potencjalnie ważne punkty unikalne dla branży obliczeń kwantowych

Opisz konkretnie, dlaczego chcesz używać proponowanej architektury/systemów. Na przykład możesz oprzeć swój wniosek na qubitach transmonowych o stałej częstotliwości, takich jak te w komputerach kwantowych IBM®, z następujących powodów:
- Mają bardzo krótkie czasy bramek i mogą wykonywać wiele operacji w czasie spójności
- Mają wysoką wierność bramek
- Mają przewidywalną skalowalność zgodną z IBM Quantum Roadmap
Możesz skupić się na skali i dostępności komputerów kwantowych z następujących powodów:
- Komputery kwantowe IBM są największymi dostępnymi QPU, umożliwiając prace na skalę użytkową do prawdziwych innowacji.
- Wszystko mniejsze niż komputery kwantowe IBM można zrobić na symulatorze.
- Możesz odwołać się do architektury konkretnego procesora, takiego jak Nighthawk, i jego przydatności do korekcji błędów kwantowych.

Wykonalność techniczna projektów

Granice tego, co jest możliwe w obliczeniach kwantowych, zmieniają się każdego dnia. Ale ważne jest, aby mieć na uwadze obecne ograniczenia przy opisywaniu projektu. Szczegółowe informacje o każdym komputerze kwantowym, a nawet o każdym qubicie, znajdziesz na stronie zasobów obliczeniowych na IBM Quantum Platform. Poniższe informacje techniczne wysokiego poziomu mogą być przydatne. Nie są to twarde limity mające zastosowanie do wszystkich okoliczności, ale ogólne wytyczne do dostosowania do konkretnego przypadku.

Liczba qubitów — Procesory IBM Nighthawk mają 120 qubitów. Niektóre systemy mają nieco więcej. Systemy te oferują badania na skalę użytkową do nowatorskich odkryć niedostępnych klasycznie.
Głębokość obwodu — Maksymalna głębokość obwodu zależy od wielu czynników. Upewnij się, że bierzesz pod uwagę transpilowaną głębokość bramek dwuqubitowych jako główną miarę głębokości. Transpilowane, dwuqubitowe głębokości około 30 są często możliwe do zarządzania za pomocą nowoczesnych technik tłumienia i łagodzenia błędów. Kilka niszowych zastosowań może napotykać trudności przy niższych głębokościach, a niektóre obwody z pewnością mogą je przekraczać. To dobra głębokość do eksploracji.
Czas QPU — Jest to całkowicie zależne od zastosowania. Szacujemy, że minimum 400 minut jest wymagane do nowatorskich badań nad obliczeniami kwantowymi. Możesz również sprawdzić wymagany czas QPU dla poszczególnych uruchomień projektów wymienionych w advantage tracker. Większość mieści się między 30 a 120 minutami. Uwzględniając eksperymenty, benchmarking problemu i wiele prób, ten zakres czasowy jest zgodny z wyżej wymienionym minimum.

Zasoby

Poniżej znajdują się dobre organizacje kandydujące do finansowania QC.

Rodzina programów	Typowy zakres kwantowy	Region	Przykładowe zaproszenia/notatki
NSF Access Allocations	Dostęp do zasobów obliczeniowych	USA	NSF Access Allocations
NSF Quantum Information Science	Algorytmy, sprzęt, sieci, edukacja	USA	Quantum Leap Challenge Institutes, ExpandQISE
DOE NQISRCs & Office of Science	Nauka o qubitach, symulacja kwantowa dla chemii/materiałów	USA	Zaproszenia Basic Energy Sciences dotyczące kwantów
DoD/DARPA Programs	Urządzenia kwantowe, czujniki, QC na skalę użytkową	USA	Na przykład: Quantum Benchmarking Initiative
EU Horizon/Quantum Flagship	Procesory, komunikacja, symulacja	Europa	Programy pracy (współpraca USA OK z licencjami)
UK NQCC & National Programme	Dostęp do obliczeń, demonstratory, wykonalność	UK	Możliwości finansowania NQCC
Eureka Network Quantum Calls	Stosowane B+R (obliczenia, czujniki)	Wielonarodowy	Applied Quantum Technologies
DOE Chemistry/Materials	Algorytmy kwantowe dla struktury elektronowej	USA	Nowe metody symulacji BES
Regional/State Quantum Hubs	Prototypy translacyjne, budowanie ekosystemu	USA	Granty zalążkowe na poziomie stanowym

Aby wyszukiwać konkretne granty, zalecamy bezpośrednie korzystanie z zaproszeń agencji finansujących lub konsultowanie witryn śledzących granty. Następujące zasoby mogą być pomocne:

Kluczowe strony kuratora

Quantum Computing Report: Dedykowana sekcja wymieniająca rządowych i non-profit sponsorów kwantowych na całym świecie (na przykład centra NSF i DOE), z notatkami na temat fokusów badawczych i kontaktów.
Qureca: Kompleksowy tracker globalnych inicjatyw kwantowych, w tym misji krajowych, budżetów i konkretnych programów grantowych.
Strony Rozwoju Badań Uniwersyteckich (na przykład UConn): Wyselekcjonowane listy możliwości specyficznych dla kwantów z NSF, DOE, DoD i regionalnych; aktualizowane co miesiąc.
Grants.gov: Oficjalny portal federalny USA z zaawansowanymi filtrami dla "quantum computing" lub "quantum information science" — wyszukiwanie zwraca aktywne zaproszenia, takie jak zaproszenia DOE B+R kwantowych.
NSF SBIR/STTR Site: Śledi granty dla małych firm kwantowych w algorytmach, obliczeniach, czujnikach i innych.
Paper Digest: Agreguje najnowsze granty rządowe USA oznaczone tagiem "quantum computing", posortowane według daty i istotności.
Unitary Foundation: Wymienia mikrogranty i finansowanie ekosystemu oraz narzędzia kwantowe open-source.

Przykłady udanych wniosków o finansowanie

Przykłady SBIR/STTR

Typ	Firma/projekt	Notatki
NIST SBIR Phase II	Icarus Quantum (źródła fotonów)	Komunikat prasowy z podsumowaniem projektu; transfer technologii z NIST
DOE SBIR Phase I	Q-CTRL (automatyzacja kwantowa)	Szczegóły dotyczące AI do sterowania sprzętem; współpraca z Sandia

Federalne przykłady na dużą skalę

NSF Quantum Awards: Szukaj w wyszukiwarce nagród NSF publicznych abstraktów (na przykład Quantum Leap Challenge Institutes); pełne wnioski nie są publiczne, ale dostępne są podsumowania.
DOE Quantum Centers: Zobacz nagrody NQISRC na science.osti.gov; na przykład fragmenty wniosków centrum Q-NEXT w raportach.

Ogólne repozytoria

Portfolio SBIR.gov filtrowane według słowa kluczowego "quantum": Szukaj informacji o wszystkich poprzednich nagrodach programu Small Business Innovation Research (SBIR).
Grants.gov: Zarchiwizowane federalne narracje SBIR dotyczące kwantów.

Zwięzłe sformułowania dotyczące typowych potrzeb grantowych

Każdy piszący wniosek oczywiście stworzy własny oryginalny wniosek. Istnieje jednak wiele wspólnych potrzeb w wielu grantach, takich jak opis, dlaczego obliczenia kwantowe są ważne lub jaki jest stan nowoczesnych komputerów kwantowych. Są one przewidywalne, ale bardzo ważne jest, aby prawidłowo sformułować oświadczenia. Poniżej przedstawiamy zwięzłe sformułowania kilku typowych składników wniosków, które mogą służyć jako inspiracja do własnych sformułowań, wraz z odniesieniami.

Czym są obliczenia kwantowe i czym nie są

Obliczenia kwantowe używają superpozycji, splątania i interferencji do manipulowania informacją w sposób niemożliwy dla systemów klasycznych, umożliwiając potencjalne przewagi w zadaniach takich jak symulacja kwantowa i pewne strukturalne problemy optymalizacyjne. Nie jest to szybszy komputer ogólnego przeznaczenia: większość obciążeń nie odnosi korzyści z obliczeń kwantowych, a obecne urządzenia ery NISQ pozostają ograniczone przez szum i skalę. Obliczenia kwantowe należy zatem postrzegać jako odrębny, wschodzący model obliczeniowy, obiecujący dla konkretnych problemów o dużym wpływie, ale zależny od dalszego postępu w sprzęcie, algorytmach i korekcji błędów.

Szerszy wpływ obliczeń kwantowych

Obliczenia kwantowe mogą umożliwić postęp w materiałoznawstwie, chemii, bezpiecznej komunikacji i złożonej optymalizacji poprzez bezpośrednie wykorzystanie kwantowo-mechanicznej struktury, otwierając ścieżki do bardziej wydajnych systemów energetycznych, nowych leków i wysokowydajnej produkcji. Ich szerszy wpływ obejmuje katalizowanie nowych branż wymagających wysokich kwalifikacji, wzmacnianie konkurencyjności technologicznej i stymulowanie regionalnych ekosystemów innowacji w miarę dojrzewania technologii kwantowych do narzędzi wdrożeniowych dla nauki i przemysłu.

Potrzeby edukacyjne i kadrowe

Technologia kwantowa wymaga interdyscyplinarnych ścieżek talentów łączących fizykę kwantową z informatyką, inżynierią i matematyką stosowaną, a także wiedzą dziedzinową dla branż docelowych (chemia, finanse, zdrowie) oraz umiejętnościami cyberbezpieczeństwa kwantowego dla migracji do kryptografii post-kwantowej. Popyt obejmuje badaczy, inżynierów oprogramowania, inżynierów sterowania/kriogeniki i fotoniki, techników oraz integratorów systemów, z obecnymi niedoborami odnotowanymi w zaawansowanym sprzęcie, algorytmach i łańcuchach dostaw produkcyjnych. Skuteczne strategie obejmują modułowe, obejmujące cały stos programy nauczania (od podstaw do korekcji błędów i benchmarkingu), szkolenia i staże we współpracy z przemysłem oraz programy regionalnych centrów koordynujących uczelnie, laboratoria krajowe i firmy w celu przyspieszenia uczenia się przez praktykę i umieszczania na rynku pracy. Decydenci powinni priorytetowo traktować standardy/ramy kompetencji, ścieżki mobilności i przekwalifikowania oraz inkluzywny rozwój talentów, aby podtrzymać innowacje przy jednoczesnym łagodzeniu wąskich gardeł komercjalizacji i nierównego dostępu.

Mocne strony komputerów kwantowych IBM

Komputery kwantowe IBM używają nadprzewodzących qubitów i wyróżniają się projektami procesorów o wysokiej łączności — zilustrowanymi przez architekturę Nighthawk — umożliwiając obwody o około 30% większej złożoności niż poprzednie generacje i wspierając bardziej wydajne trasy do logicznych qubitów niż konkurencyjne układy. Ich modułowa, rozbudowywalna platforma IBM Quantum System Two®, zbudowana wokół procesorów Heron z około 10-krotnie poprawionymi wskaźnikami błędów i hybrydową integracją kwantowo-klasyczną, przyspiesza przepływy pracy w chemii, materiałoznawstwie i optymalizacji — i pozycjonuje IBM jako lidera w kwantowych superobliczeniach. Długoterminowy harmonogram rozwoju IBM, globalnie podłączona chmurowo flota i największa na świecie przemysłowo-akademicka Sieć Kwantowa zapewniają niezrównany dostęp, dojrzałość oprogramowania (Qiskit) i sterowane społecznością ramy benchmarkingu wzmacniające przewagę ekosystemu IBM nad konkurentami.

Odniesienia

Poniższe odniesienia mogą być szczególnie przydatne do tworzenia dobrze poinformowanej narracji o projekcie kwantowym. Zostały posortowane najpierw według tematu, a następnie według rodzaju zasobu, aby umożliwić dopasowanie do norm agencji finansujących.

Czym są obliczenia kwantowe — i czym nie są

Raporty rządowe / oficjalne

U.S. Government Accountability Office (GAO). Quantum Computing and Communications: Status and Prospects (Technology Assessment), październik 2021.
U.S. DOE Office of Science (ASCR). ASCR Report on Quantum Computing for Science (Workshop Report), 2015.

Narodowe Akademie / Organy normalizacyjne

National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Quantum Computing: Progress and Prospects (Consensus Study Report), 2019. (otwarte wersje hostowane przez MIT/Brown)

Organizacje międzyrządowe / Polityczne