赴浙江大学“2014-量子信息与量子计算研究生暑期学校”学习总结报告

陈少强

今年暑假7月7日至8月11日，我到浙江大学数学系参加了“2014-量子信息与量子计算暑期学校”的学习，在此首先非常感谢院领导和全体同事的信任与支持。在浙江大学暑期学习期间, 始终不敢忘怀此次学习的主要目标：提高和拓展专业知识，开阔视野提高教学水平，寻求新的科研切入点，定位科研具体领域。

回顾浙江大学一个多月的校园学习和生活,经历了从不适应到适应的过程,最大的感觉是仿佛又回到了学生时代宿舍——教室——图书馆三点一线的单一生活,每天的行程是重复的,但学习的内容却是不断更新的。这次学习是我研究生毕业多年后重返普通高校学习专业知识时间最长的一次,受益匪浅,感触良多。在此,对我的学习情况向院领导和同事们作一个汇报。

  一、量子信息与量子计算简介

从普朗克提出量子的概念至今，量子力学已经走了整整一百年的历程。在这一百年中，量子力学给人类的生活带来翻天覆地的变化，尤其是进入二十世纪后半叶，随着激光器的出现和半导体工业的突飞猛进，更彰显出科学的威力。但即便是这样成功的理论，围绕它的争论却从来不曾间断过。对其提出质疑的人当中不乏这一领域的开创者，如薛定谔、爱因斯坦等人，而拥护量子力学的则是以玻尔和海森伯等人为代表的哥本哈根学派。他们争论的焦点在于：量子力学描述的物理实在具有无法消除的随机性，而这是以爱因斯坦为代表的持经典决定论观点的物理学家所不能接受的，他们认为量子力学对物理世界的描述是不完备的，世界应该被更为基础的理论来支配。随着论战的升级，爱因斯坦等人提出了量子纠缠态的概念，进而引发了对量子力学基本原理的检验。虽然，迄今为止，绝大多数的证据显示了哥本哈根学派的胜利，似乎围绕这一科学问题的争论应告一段落，但，正是由于这两股科学洪流的不断地砥砺和求索，人们更加深了对这门科学的认识，进而诞生了后来的量子信息。

量子信息是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科，它诞生于上个世纪80年代，在90年代中期引起国际学术界的巨大兴趣，受到西方各国的高度重视，得到迅速发展，迄今方兴未艾!量子信息技术基于量子特性，如量子相干性，非局域性，纠缠性，不可克隆性等，可以实现现有信息技术无法做到的新的信息功能，例如，量子计算机可以加速某些函数的运算速度，攻破现有的密钥体系，量子因特网具有现有因特网所无法比拟的优点，量子密码可提供不可破译、不可窃听的保密通信等，量子信息技术可以突破现有信息技术的物理极限，为信息科学的发展提供新的原理和方法，2l世纪信息科学将从“经典”跨跃到“量子”时代。量子信息技术是后摩尔时代的重要新技术，将来有望形成QIT(Quantum Information Technology)新产业，因而成为各国未来高技术的战略竞争焦点之一。

    量子计算是应用量子力学原理来进行有效计算的新颖计算模式。作为其核心器件的量子计算机是个由许许多多量子处理器构成的多体量子体系，每个量子处理器是个两态量子系统。基于量子叠加性原理，采用合适量子算法可以加快某些函数的运算速度，如Shor量子并行算法可以将“大数因子分解“这个电子计算机上指数复杂度的难题变成多项复杂度的“易解”问题，从而可攻破现有广泛使用的公钥RSA等体系。

  二、学习情况简介

1．学习班学习安排情况：

7月8日（星期二）正式开课，每周二至周六上课，星期日和星期一休息。上课时间上午9点至11点半，下午2点至5点。一般上午时间由浙江大学数学系的武俊德老师主讲或主持，下午由其他专家老师讲课间或组织讨论。本期学习，主办方邀请了多位该领域方向上的专家教授来授课，主要有荷兰专家Adam和印度专家Parti，还有国内数学方向的中科院陈泽乾教授和物理方向的南京大学吴盛俊教授。两位外国教授采用英文授课，其中以Adam授课为主，重点讲授量子关联方面的研究。一个多月的学习，主办方没有组织任何外出游玩活动，只是在学习中期，请学员们吃了一次晚餐。参加学习班的人员，共有四五十人，主要是各大学的博士生、研究生，少数本科生毕业生，还有已经参加教学工作的教职人员。教职人员中，大多为副教授、博士，也有个别对该领域感兴趣的教授，甚至博导。学习人员的专业基础，主要以数学专业为主，部分物理专业，计算机专业人员较少（可参见学员通讯录）。

整个学习除了专家教授的专题讲座外，主要以教材《量子信息论》为主，该教材由日本学者佐川弘幸和吉田宣章编著，2007年由国内学者宋鹤山和宋天翻译并出版。围绕本教材展开各个章节的地毯式学习，按照武俊德老师的说法，那就是按号对座式讲解与学习，力求教材内容完全看懂、理解、领悟，甚至不惜逐字逐句地研读。该教材共有10个章节，采用老师与学员互讲的方式。武老师重点讲了其中的3个章节，其他章节分别由部分学员讲授。教材内容涵盖面较广，但书写简练，特别是相关物理知识概念精简，这也为大家的学习增加了不少难度。学员们一致感到量子物理方面的知识比较粗略，一些问题不得不反复探讨与讲解，特别是一些由学员授课的内容，如果没讲清楚的话，武老师甚至不得不自己花时间来重新讲解。这里需要说明一点的是，整个学习的主办方特别是武俊德老师，也是近些年才开始由数学方向转入量子理论方向的，所以对于教材中的内容，也都是初次研读和讲授的，因此对于学习效率来说应该说是有点影响的。

2. 本人学习情况：

由于量子理论和技术包含大量深层次的数学问题、物理理论知识，本人知识储备明显存在较大的欠缺，所以学习初期，本人在听课及学习上困难很大。经了解，主办方曾在2013年暑期进行过一次相同主题的学习，当时主要学习与量子理论相关紧密的数学知识，以矩阵理论和算子理论为主。由于本人数学基础薄弱，且在该领域方面又需预备如此较高水准的数学理论知识，所以前期学习一片茫然。在学习的前两个星期，本人重点在课外自学了矩阵论相关数学知识，特别是线性代数，还有概率论，总算慢慢跟上了点节奏。但是，对于许多问题的数学表示描述和推导，仍然心有余而力不足。虽然学习的内容涉及面很广，幸好老师始终围绕着主教材进行讲解，以教材为主，自己从多方面进行课后补充，许多难懂的数学知识与描述也渐渐可以明白与理解，当然要说领悟与应用还远远谈不上。量子力学的诸多理论上的数学描述，对于数学专业人员来说，这些公式表示与推导并无困难，他们只是稍稍欠缺一些实际上的物理概念（因为量子物理本身在理解上还需要一些基础）。所以他们在学习上，对于众多的数学公式与推导完全没有困难，而这些却是经常令我头疼的内容，不得不花更多的时间去学习物理学中的量子力学内容。

鉴于两位外国专家授课使用外语，且讲授的又是量子理论中较高深的数学逻辑部分——量子关联，加上本人有太多的知识需要补充，所以一般下午两位专家的讲课，我没有参加，主要以自学相关数学知识和量子力学为主。其他时间授课本人全部坚持听了下来，也通过网上观看了一些量子理论专家的视频，应该说一个月下来，有了不少的收获。除了前述矩阵理论、线性代数、概率论等数学基础知识的学习与掌握，也对深奥且博广的量子力学部分有了一些基本的了解。同时通过几位专家教授的讲座，对测度论、弱测量、范畴等一些专业领域极强的研究也有了一些初步了解，扩展了自己的知识视野。整个暑期学习的核心教材《量子信息论》，主要章节内容已基本能够看懂。当然由于水平有限，有不少知识概念，仍然是一知半解，甚至有些内容，过了一段时间又会变得模糊不清，这可能和自己原先的理论知识比较薄弱有关。以上这些就是本人一个月来暑期学习的收获。

三、收获与心得，建议

通过此次暑期学习，本人对量子信息与量子计算领域有了一定的认识，极大地开阔了知识视野，也对自己未来的研究方向有了一些新的思考。虽然在这方面自身存在着许多先天不足和理论知识薄弱等问题，但是通过学习同时也唤起自己对这个领域的极大兴趣。俗话说兴趣是最好的老师，我也希望自己能够在这个领域能有进一步的学习与研究。

秉承主办方武俊德老师的教诲——播撒火种，点燃火炬，把学到的知识内容向自己的同事学生们传达，为未来点燃量子信息与计算这把明亮的火炬贡献一份绵薄之力。本人愿意结合自己的学识（这里强调一下，尽管自己还有许多不懂的地方）就该领域向全院师生开设讲座，如果条件允许的话，可以考虑开讲系列讲座，以开阔师生们的知识视野，唤起师生们对该领域的研究兴趣，共同学习与进步。

同时，我也建议，如果条件成熟的话，院里是否可以考虑组建一个量子信息与计算方向的学习与研究团队，并和国内与此相关领域的大学机构和专家们建立联系与合作，以此提高我院教职员工的学术科研水平。

最后，再次感谢院领导为我提供的这次难得的学习机会，让我受益终生。