量子計(jì)算原理：解密未來(lái)計(jì)算機(jī)在線小組科研

計(jì)算機(jī)科學(xué)/物理

項(xiàng)目背景

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)在過(guò)去的幾十年內(nèi)幫助人類解決了許多問(wèn)題，大幅度解放了勞動(dòng)力。但是，仍有一些問(wèn)題是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的。而量子計(jì)算的目標(biāo)就是克服普通計(jì)算機(jī)的瓶頸，解決更多更復(fù)雜的問(wèn)題。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，經(jīng)典計(jì)算機(jī)算法的發(fā)展舉步維艱，即使擁有強(qiáng)大的硬件也無(wú)法有效解決很多問(wèn)題；而量子計(jì)算機(jī)借助量子狀態(tài)、量子糾纏等屬性可快速處理近乎無(wú)限多的變量。包括Google和NASA在內(nèi)的眾多國(guó)內(nèi)外企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)都在量子計(jì)算領(lǐng)域投入了大量科研資金，并于近些年取得了初步成果。在不久的將來(lái)，隨著量子計(jì)算機(jī)投入量產(chǎn)，其必然會(huì)在網(wǎng)絡(luò)安全、互聯(lián)網(wǎng)搜索和人工智能中擔(dān)任舉足輕重的角色，并深刻改變現(xiàn)代制造業(yè)、服務(wù)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。

項(xiàng)目介紹

學(xué)生將在本課程中學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，并了解量子的物理屬性如何幫助量子計(jì)算機(jī)擊敗傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。同時(shí)，學(xué)生也將學(xué)習(xí)只能在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的量子算法，如Simons算法，質(zhì)因數(shù)分解算法，Grover搜索算法等。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生將探究量子計(jì)算機(jī)背后的不同數(shù)學(xué)模型，以及這些模型與真實(shí)物理系統(tǒng)間的聯(lián)系。本課程也會(huì)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)量子密碼學(xué)的基礎(chǔ)概念，以及量子計(jì)算機(jī)的容錯(cuò)機(jī)制。

適合人群

優(yōu)秀高中生、大學(xué)生

計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、物理、數(shù)學(xué)類專業(yè)或希望修讀工程類專業(yè)的學(xué)生；具有良好數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)

具備一定量子物理知識(shí)，或了解量子計(jì)算者優(yōu)先

導(dǎo)師介紹

杜克大學(xué)終身教授

Mehen 教授現(xiàn)任杜克大學(xué)物理系終身教授。于 1998 年獲得約翰·霍普金斯大學(xué)博士學(xué)位。他主要研究量子色動(dòng)力學(xué)和有效場(chǎng)論在強(qiáng)子物理學(xué)問(wèn)題中的應(yīng)用。Mehen 教授還從事非相對(duì)論性粒子有效場(chǎng)論方面的研究（非相對(duì)輪性粒子的短程相互作用的特點(diǎn)是散射長(zhǎng)度較長(zhǎng)）。Mehen 教授的部分研究涉及多個(gè)學(xué)科，例如，為核子物理開(kāi)發(fā)的技術(shù)被用于計(jì)算一種原子散射長(zhǎng)度較長(zhǎng)的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚物能量密度的三體修正。此外，Mehen 教授還對(duì)源于弦理論的不尋常限度的異常場(chǎng)論進(jìn)行研究，其中包括對(duì)非對(duì)易場(chǎng)論和非 BPS 膜上的速子模式理論的研究。

任職學(xué)校

杜克大學(xué)（Duke University）是美國(guó)最頂尖的學(xué)府之一，有“南方哈佛”的美譽(yù)稱。是一所極難錄取的頂尖學(xué)府，其2016年錄取率僅為9%。在人才培養(yǎng)上，杜克大學(xué)成績(jī)斐然。在杜克大學(xué)畢業(yè)的校友中，最知名者包括了美國(guó)第37任總統(tǒng)理查德·尼克松，蘋果公司現(xiàn)任首席執(zhí)行官蒂姆·庫(kù)克、微軟前首席執(zhí)行官比爾·蓋茨的夫人美琳達(dá)·蓋茨等。此外，截止2019年10月，杜克大學(xué)的歷屆校友、教授及研究人員中，已有15位諾貝爾獎(jiǎng)得主、3位圖靈獎(jiǎng)得主。

參考項(xiàng)目大綱

入門級(jí)的量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) Introductory Level of Quantum Mechanics

量子計(jì)算的數(shù)學(xué)模型 Mathematical Models of Quantum Computing

量子計(jì)算物理系統(tǒng)和量子容錯(cuò)機(jī)制 Fault Tolerance Mechanism in a Physical Quantum System

概率性量子算法案例探究 Case Studies of Probabilistic Quantum Algorithms

利用Simon算法將指數(shù)復(fù)雜的問(wèn)題在線性復(fù)雜度時(shí)間內(nèi)解決 Solving problems with exponential complexity in linear time using Simon’s Algorithm

使用量子退火算法進(jìn)行高效質(zhì)因數(shù)分解 Efficient Prime Factorization Using Quantum Annealing

利用Grover搜索算法尋找黑箱函數(shù)的輸出 Finding the Output of Black Box Functions using Grover’s Search Algorithm量子密碼學(xué)基礎(chǔ)（破解RSA加密算法） Basics of Quantum Cryptography (Cracking the RSA encryption algorithm)

項(xiàng)目回顧與成果展示 Program Review and Presentation

論文輔導(dǎo) Project Deliverables Tutoring

時(shí)間安排與收獲

7周在線小組科研學(xué)習(xí)+3周論文輔導(dǎo)學(xué)習(xí) 共44課時(shí) 學(xué)術(shù)報(bào)告 主導(dǎo)師Reference Letter EI/CPCI/Scopus或同等級(jí)別索引國(guó)際會(huì)議摘要投遞與收錄（可用于申請(qǐng)） 結(jié)業(yè)證書 成績(jī)單