CCF DL Focus On Quantum Computation

随着信息产业的高速发展,人们对算力的需求远远超过以往任何一个时代．为了实现更强大的数据处理能力,各种具有潜在颠覆性影响的计算理论和计算模型获得了越来越多的关注．量子计算作为其中最炙手可热的研究方向之一，在过去的几十年间,相关的理论和实验研究成果都取得了长足的进展．量子计算是一门由数学、计算机科学和量子物理学相结合的交叉学科,通过利用量子状态的相干性、纠缠特性、不可克隆性等量子力学基本原理,量子计算在实现某些计算任务时表现出了超越经典计算的计算能力,譬如较经典算法呈指数量级加速的解决整数素因数分解问题的Shor算法、较经典算法有平方量级加速的解决无序数据库搜索问题的Grover算法和解决线性方程组求解问题的HHL算法等．

量子计算是计算机科学、信息科学与量子物理相结合而产生的新兴交叉学科，为人类提供后摩尔时代的信息处理技术，为21世纪信息科学的发展提供新的原理和方法，是未来物理学和信息学发展的重大方向之一。本期专题将从量子计算的实验硬件和理论两方面出发，介绍量子计算的发展、现状，以及对未来量子技术的展望。

提起量子计算，总让人联想到“高大上”，它不仅是各国争夺的研究高地，是顶级学术期刊《自然》和《科学》的宠儿，更时常出现在大众媒体普通百姓的朋友圈。我认为，这恰是由于它非常符合科学技术研究的“初心”:(1)满足好奇心。最前沿的研究往往最令人好奇。量子纠缠、不确定性原理等量子物理基本规律不断挑战人类对大自然的直观感受，由这些规律发展起来的量子计算也处处违背人类直觉，这种违背直觉的研究自然最能满足人类的好奇心。(2)有用。量子计算是最重要的后摩尔技术之一，拥有电子计算机无可比拟的超强计算能力。2012年诺贝尔物理学奖颁奖委员会评价称，量子计算有望在这个世纪里彻底改变人们的生活，正像传统计算机在上个世纪中所做的那样。

本课系统地介绍了量子算法的基础知识，量子判定树模型，DJ算法，Shor算法，隐子群问题，Grover算法及其推广，振幅放大算法，量子游走，以及用于分析量子复杂度下界的多项式方法。

量子计算和量子信息的发展非常迅速，报告将聚焦超导量子计算最新发展，介绍我们最近多个超导量子计算实验进展：利用超导量子器件实现强关联量子行走，20量子比特比特多组分薛定谔猫态制备。多量子比特量子模拟可实现对多种多体物理现象的仿真，包括量子模拟动力学相变，展示多体局域化中的熵增、能谱对应多体局域化及迁移率边界现象，布洛赫局域现象等，最后将对有噪音中等规模量子计算(NISQ)进行讨论。

查询算法是一类重要的算法模型，它关注的是查询复杂度，即计算过程调用某一子过程的次数，而忽略其他计算代价。目前量子计算相对于经典计算的优势很多时候是通过查询复杂度得以体现，例如著名的Grover 算法，量子计算的优势可以从查询复杂性角度得以严格证明。在量子计算教科书中通常会介绍两个常见的与量子查询算法相关的知识点：Deutsch-Jozsa 算法和隐含子群问题（Shor 算法解决的就是一个特殊的隐含子群问题）。本报告将介绍课题组从这两个点出发挖掘的新问题以及得到的部分结论。

量子人工智能（Quantum AI）是一个新兴的跨学科领域，探索人工智能与量子物理学之间的相互作用。 一方面，精心设计的量子算法在解决某些人工智能问题时可能会展现出指数级的优势； 另一方面，人工智能的想法和技术也可以用来解决量子领域的挑战性问题。 在本次报告中，我将首先简要介绍该领域并回顾一些最近的进展。我将通过几个具体的例子来说明人工智能和量子物理学如何促进这两个领域的研究。

本课系统地介绍了量子纠错码，包括Shor编码，量子纠错条件，稳定子编码，容错量子计算，以及相应的基础知识。此外，课程还介绍了量子电路，量子门通用性。