量子計算原理：解密未來計算機在線小組科研

計算機科學(xué)/物理

項目背景

現(xiàn)代計算機在過去的幾十年內(nèi)幫助人類解決了許多問題，大幅度解放了勞動力。但是，仍有一些問題是現(xiàn)代計算機無法處理的。而量子計算的目標(biāo)就是克服普通計算機的瓶頸，解決更多更復(fù)雜的問題。在大數(shù)據(jù)時代，經(jīng)典計算機算法的發(fā)展舉步維艱，即使擁有強大的硬件也無法有效解決很多問題；而量子計算機借助量子狀態(tài)、量子糾纏等屬性可快速處理近乎無限多的變量。包括Google和NASA在內(nèi)的眾多國內(nèi)外企業(yè)與科研機構(gòu)都在量子計算領(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，隨著量子計算機投入量產(chǎn)，其必然會在網(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)的各個領(lǐng)域。

項目介紹

學(xué)生將在本課程中學(xué)習(xí)簡單的量子力學(xué)基礎(chǔ)知識，并了解量子的物理屬性如何幫助量子計算機擊敗傳統(tǒng)計算機。同時，學(xué)生也將學(xué)習(xí)只能在量子計算機上運行的量子算法，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)生將探究量子計算機背后的不同數(shù)學(xué)模型，以及這些模型與真實物理系統(tǒng)間的聯(lián)系。本課程也會引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)量子密碼學(xué)的基礎(chǔ)概念，以及量子計算機的容錯機制。

適合人群

優(yōu)秀高中生、大學(xué)生

計算機科學(xué)、計算機工程、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，或了解量子計算者優(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力學(xué)和有效場論在強子物理學(xué)問題中的應(yīng)用。Mehen 教授還從事非相對論性粒子有效場論方面的研究（非相對輪性粒子的短程相互作用的特點是散射長度較長）。Mehen 教授的部分研究涉及多個學(xué)科，例如，為核子物理開發(fā)的技術(shù)被用于計算一種原子散射長度較長的玻色-愛因斯坦凝聚物能量密度的三體修正。此外，Mehen 教授還對源于弦理論的不尋常限度的異常場論進行研究，其中包括對非對易場論和非 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）是美國最頂尖的學(xué)府之一，有“南方哈佛”的美譽稱。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)成績斐然。在杜克大學(xué)畢業(yè)的校友中，最知名者包括了美國第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·庫克、微軟前首席執(zhí)行官比爾·蓋茨的夫人美琳達·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位諾貝爾獎得主、3位圖靈獎得主。

參考項目大綱

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

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

量子計算物理系統(tǒng)和量子容錯機制 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)雜的問題在線性復(fù)雜度時間內(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)

項目回顧與成果展示 Program Review and Presentation

論文輔導(dǎo) Project Deliverables Tutoring

時間安排與收獲

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 學(xué)術(shù)報告 主導(dǎo)師Reference Letter EI/CPCI/Scopus或同等級別索引國際會議摘要投遞與收錄（可用于申請） 結(jié)業(yè)證書 成績單