量子信息简要介绍


众所周知,量子力学是到目前为止描述自然运行规律最为成功的理论之一。 20 世纪初发展出来的量子力学包含了很多与人们日常经验直觉违背的现象,其中最让人惊奇的就是 1935 年爱因斯坦、Podolsky 和 Rosen 提出的 EPR 佯谬,这一佯谬凸显出了量子力学的非定域性。经过多年的争议,在 1964 年 Bell 建议用实验来验证这个佯谬后十多年,Aspect 用纠缠光子对完成了对 Bell 不等式的实验验证,支持量子非定域性。
正是受到这些理论与实验的启发,从 1980 年代开始,人们开始研究基于量子物理规律运行的量子信息科学。量子信息科学是信息科学与量子物理学的交叉学科,它是利用量子物理特有的量子相干特性,以及量子纠缠等特有的量子关联特性,以崭新的方式实现信息的处理、存储和传输。比方说,量子 Shor 算法用于解决质因数分解问题的速度比起任何已知的经典算法的速度都有指数级的提高,揭示出了量子力学强大的计算能力。量子保密通讯方案能够在相距遥远的两个节点之间实现对任何攻击的无条件的安全通讯,揭示出了量子力学对于保密通讯的重大应用前景。
由于量子信息科学所具有的广泛的应用前景,它吸引了许多学科的研究人员参与研究。在过去的近二十年中,已经取得了很多重大的进展:比如 1995 年实现了首个基于离子阱的量子逻辑门;1997 年人们首次实现了基于光子的量子隐形传态;2001年段路明等人提出了实验可行的、容错的量子中继器方案。2005 年以后,随着量子诱骗态编码的出现,大大提高了量子保密通讯的安全距离和成码率,量子保密通讯已经渐渐走向实用化。
随着研究的深入,同时也凸显了量子信息科学在实际应用中的困难。2000 年,DiVincenzo 提出,如果要在物理上实现大规模量子计算和量子通讯,需要同时满足以下七个条件:
1 一个能表征量子比特并可扩展的物理系统,一般来说,任何二能级体系都符合这个条件;
2 能够把量子比特初始化为一个标准态,这相当于要求量子计算的输入态应当是已知的;
3 退相干相对于量子门操作时间要足够长,这保证在系统退相干之前能够完成整个量子计算;
4 构造一系列普适的量子门完成量子计算;
5 具备对量子计算的末态进行测量的能力;
6 在静止量子比特和飞行量子比特之间实现量子信息的转换;
7 具有在节点间实现量子比特传输的能力。
其中判据 1 到 5 都是单个量子信息处理节点所必须的,第 6 和第 7 条是实现量子通讯以及量子网络所必须的。这其中最大的困难在于寻找合适的物理系统来抵御退相干效应,同时这个系统还应该很容易扩展。一直以来孤立原子都是人们用来实现量子信息处理最感兴趣的物理系统。比如单个原子可以与光频和微波段的腔耦合,囚禁离子系统也被用来操控单个以及多个原子离子,实现简单的量子信息处理操作。相关的实验成果已经获得了 2012 年诺贝尔物理学奖。但是利用真空中的单原子系统实现量子信息处理需要非常复杂的操控系统来实现对单个原子的操控,这极大的限制了其实际应用。

夏威夷开会


离开美国五年之后,我又来到了这里。不过没有去美国本土,而是有名的度假胜地夏威夷檀香山开会一周。

我参加的是IEEE ISIT会议,会议的主题是信息论。我作为一个物理系出身的人,参加这个会议只能说是打酱油。本来也是轮不到我的,可是更适合开会的合作者们都由于有事情来不了时,我就不得不顶上了。会议规定,如果没有人在会议上出现做报告,那么将会撤销论文。还好,我做的二十分钟报告没有人提问题,我也顺利的讲完了。

会议间隙,我去了珍珠港参观。先免费参观了亚利桑那号纪念馆。亚利桑那号在日本人偷袭珍珠港时被击沉,阵亡一千多人。美国后来在沉船的水面上建了一个纪念馆。还拍了一部纪念片来记录珍珠港事件。从纪念片中,我了解到,珍珠港事件,美国总共死亡两千多人,受伤千余人。然后就全国动员,向日本宣战,三年多解决了日本。这比反恐战争利索多了。大了十多年,恐怖份子还是没有减少,反倒越来越多了。

然后我参观潜水艇和密苏里号战列舰。密苏里号也遭遇了珍珠港偷袭,但幸存下来。在后来的战争中表现出色。最后,日本签署投降书就是在密苏里号。1990年代,密苏里号还参加了美国对伊拉克的战争。那之后他就退役了,成为了一个博物馆供人游览,学习,纪念。站在密苏里号上,可以遥望中国来此访问和参加演习的神盾号战列舰。能够亲眼见证中国海军首次访问夏威夷并与美国军队联合演习,真是让人激动。

在美国过完了国庆节,看了烟花,今天我就要返回北京了。再见美国,再见,夏威夷。

处于量子态的生命体


两年前,我写过一篇文章《生命可以量子态吗?薛定谔病毒告诉你》,介绍最近人们感兴趣的用病毒来实现薛定谔猫态的实验构想。之所以写这么一篇文章,是因为我对这个题目也非常感兴趣。至于我对这个问题的兴趣由来,请听我一一道来。

实 际上,量子过程在生命体内是不可缺少的。早在1944年薛定谔就在他那本著名的小册子《生命是什么?》中,通过理论分析,证明了量子力学是我们理解生命现 象必不可少的工具。 近期的实验证明了,量子力学确实发挥了重要的作用,比如说光合作用,以及鸟类识别方向等等。我相信,未来利用量子力学作为工具,将会不断刷新我们对生命过 程的理解和认识。从微观角度来说,生命体就是处于量子态的,量子特性是很多生命过程能够存在的必要条件。

另 外一方面,薛定谔在1935年, 与爱因斯坦通信之后,为了揭露出量子力学的不完备性,也提出了薛定谔猫的理想实验。这种处于量子叠加态的宏观生命体,挑战了我们的常识,也激发了一代代物 理学家研究的灵感。回过头来看,很有意思的是,薛定谔先提出了生命体作为一个整体可能处于量子态,然后才宣称生命体内部的生物过程必须是量子化的。

对 于生命体内部的生物过程存在量子效应,学界应该有共识了,实验上的证据也很多。但是生命体作为一个整体能处于量子态么?这个想法本身就太离经叛道了。薛定 谔当初也是把这作为一个悖论提出来的。而现在,这个悖论真的有可能被验证了。在我写完那篇文章之后,最近两年这个方向上实验进展很大。因此,我现在的研究 重 点之一,就是设计出合适的方案,在实验上实现处于量子叠加态的生命体。我希望能够与实验专家合作在实验上实现它。一想到在不久之后的某一天,我们能在实验 中做出处于量子叠加态的生命体,我就觉得激动不已。物理学家们80年的梦想,终于快要照到现实了!

量子技术融入手机


在等待了一年多后,罗永浩终于发布了他的Smartisan手机。手机发布会上最大的卖点是,罗永浩宣布,这个发布会的100万门票收入全部捐献给openSSL基金会,用于支持他们雇佣更多的软件工程师来优化openSSL,这个为世界上很多网站提供加密服务的程序。这个决定确实很赞,尤其是在openSSL前不久刚刚暴露出重大缺陷的背景下,一笔来自中国的赞助能够帮助他们投入更多的人力来避免漏洞的发生。

实 际上,要想根本上解决安全问题,必须解决如何产生随机数的问题。如果我们能够有一个便捷的随机数发生器,高效高速的产生高质量的随机数,那么就能帮助我们 安全的浏览网页,发电子邮件,甚至是进行视频聊天。 openSSL所基于的仍旧只是数学的办法进行加密,理论而言,总有可能存在某种高效的算法能够解密,而我们却不知道。电脑上常用的随机数发生器,实际上 并不是真的随机,长时间来看,总是有某些规律可循的。因为它们都是通过决定性的,经典的机制来产生,要产生真正的随机数,还是得靠量子过程。

来自瑞士日内瓦大学的科学家们,找到了 一种聪明的办法可以高效而便捷的产生量子随机数。他们用普通的LED发光源,照射在诺基亚N9的摄像头上,利用摄像头来接收光子。根据物理学原理,LED 光源发出的光子是遵循量子随机性的。这种随机性意味着,光场的涨落是完全随机的,我们称之为“shot noise”。由于近年来技术的飞速发展,CCD摄像头的灵敏度大幅度提高,已经可以把”shot noise”给记录下来了。摄像头中的每一个像素点都能极为灵敏地够接收光子,并转换为电子信号被记录下来。而一个摄像头中有数百万个像素点,因此可以高 速的接收光子,并将光子涨落信号转换为随机数。

最终,他们获得的随机数达到了每秒1G 比特,已经完全可以实用了。他们的随机数通过了所有的随机数质量测试,完全可以应用。也许有一天,这个技术会成为手机上的一个标准配置的app,为每位用 户提供安全的通话和上网,以及购物服务。我期待国内外的手机巨头们,比如苹果,三星,小米能早日注意到这项技术,将其商业化。我猜,中国的手机厂商会更感 兴趣,因为有了这个才能卖的比苹果手机的价钱更高大上,那就赶紧把这个技术买下来,在小米、华为或其他什么的手机上实现吧!

参考文献: arxiv.org/abs/1405.0435 : Quantum Random Number Generation On A Mobile Phone

清华大学交叉信息研究院黄隆波教授和曾坚阳教授招收博士生


清华大学交叉信息研究院由世界著名计算机学家、2000年计算机科学最高奖图灵奖得主、美国科学院院士、美国艺术与科学学院院士、中国科学院外籍院士姚期 智先生领导,是国内首个致力于交叉信息科学研究的教学科研单位,目标为建设世界一流的交叉信息研究中心和人才培养基地,推动理论计算机科学和量子信息科学 的发展,培养具有国际竞争力的拔尖创新人才。更多信息参考http://iiis.tsinghua.edu.cn/zh/about/

清华大学交叉信息研究院助理教授黄隆波拟招收2015年秋季入学的计算机方向博士生一名。欢迎广大同学申请(专业包括但不限于计算机、电子、数学、自动化、工业工程)。

希望申请人具备以下的品质和能力:
1. 具有强烈的学习探索愿望。
2. 学习成绩优异,或完成过高质量的科研项目。
3. 具有较强的编程能力。

有意者请将申请材料发送至longbo.huang@gmail.com,并注明“2015秋季博士申请”,申请材料包括:
1. 个人简历。
2. 成绩单。
3. 发表的学术论文或报告(非必需)。
4. 参加科技或学术竞赛的成绩证明(非必需)。
5. 其他能证明自身科研能力的材料,如推荐信等(非必需)。

在北京的同学也欢迎预约时间进行面谈。个人主页:
iiis.tsinghua.edu.cn/~huang

个人简介:
黄隆波,清华大学交叉信息研究院,Tenure-track助理教授,博士生导师,中组部“青年千人计划”入选者。于2011年8月在美国南加州大学电子工程系(EE)获得博士学位。于2011年7月到2012年8月,在美国加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系(EECS)担任博士后研究员。于2012年7月在美国麻省理工学院(MIT)信息与系统决策实验室担任访问学者,于2012年12月到2013年2月间获邀到香港中文大学(CUHK)网络编码研究所担任访问教授, 并于2013年6月到8月在加州大学伯克利分校担任访问学者。担任多个IEEE/ACM顶级期刊审稿人并担任多个会议程序委员。黄博士的主要研究方向为随机学习、网络优化、无线移动网络、数据中心网络、在线教育、网络编码与延时,以及智能电力网络。

代表性近期论文:
1. L. Huang, X. Liu, and X. Hao, ‘‘The Power of Online Learning in Stochastic Network Optimization,’’ Proceedings of ACM Sigmetrics (full paper), June 2014.
2. L. Ai, X. Wu, L. Huang, L. Huang, P. Tang, and J. Li, ‘‘The Multi-shop Ski Rental Problem,’’ Proceedings of ACM Sigmetrics (full paper), June 2014.
3. S. Zhang, L. Huang, M. Chen, and X. Liu, ‘‘ Proactive Serving Reduces User Delay Exponentially,’’ Proceedings of ACM Sigmetrics (poster paper), June 2014
4. L. Huang and M. J. Neely, “Utility Optimal Scheduling in Energy Harvesting Networks,” IEEE/ACM Transactions on Networking, Volume 21, Issue 4, Pages 1117-1130, August 2013.
5. L. Huang, S. Moeller, M. J. Neely and B. Krishnamachari, “LIFO-Backpressure Achieves Near Optimal Utility-Delay Tradeoff,” IEEE/ACM Transactions on Networking, Volume 21, Issue 3, Pages 831-844, June 2013


 

清华大学交叉信息研究院机器学习和计算生物学课题组博士生导师曾坚阳老师是国家“青年千人计划”入选者,在美国杜克大学(Duke University)获得计算机科学博士学位。课题组有充足的科研经费支持,并有出国交流访问机会。基本信息可参考http://iiis.tsinghua.edu.cn/zengjy/
或者 http://iiis.tsinghua.edu.cn/~compbio/

对机器学习,计算生物学和大数据方向感兴趣的,致力于科学研究的本科三年级同学可把简历发给曾坚阳老师:zengjy@gmail.com
本科专业:计算机科学,生物信息,自动化,软件,生物,医学,数学,电子,通信工程等理工科专业。

天文学与无用之用


我最近空闲时读天文学和宇宙学的科普,感觉天文真是一门纯粹满足人好奇心的学科。去寒冷的南极测量微波背景辐射八九年,只为了找到辐射谱中纳开大小 的温度涨落,从而捕获原初引力波的痕迹。有什么用么?没有,唯一的目的只是为了回答宇宙起源这个根本问题。天文学家是古希腊哲学家泰勒斯的正统传人,研究 的题目都远在天上,距离地球N光年。

泰勒斯据说常年抬头看天,结果脖子出问题,无法低头。有一次他不知道地上有坑,掉了下去,被人 耻笑,说他好高骛远,不脚踏实地。他回去发现家里的钱快花光了,仆人对他也没有好脸色。于是他让仆人抵押房产购买了城中所有橄榄油榨汁机。来年风调雨顺, 橄榄丰收,可橄榄油的榨汁机都在泰勒斯那里,别人只能来找他买榨汁机。于是他趁机把榨汁机以五倍的价钱卖出去。泰勒斯赚了一笔后,继续研究天文,他认为, 一流的人才要研究最深刻的学问,回答最根本的问题。泰勒斯发掘出了无用的用处。无用之用用处在哪里?就在于比其他人多比别 人多张开了一只眼。在盲人的世界里,独眼龙就可以当国王!

由此我们也可以看到,在商业社会,房产从一开始就不是用来住的,而是金融抵押 物。泰勒斯买卖榨汁机的故事也告诉我们在金融中,信息就等于金钱和财富。 泰勒斯是第一个利用信息不对称结合金融工具赚钱的学者。无用之用是什么,就是创造出新知识之后,相对大众所获得的信息不对称的优势。

从泰勒 斯的时代到如今,两千五百多年过去了,科学与哲学早已经分家了。而资助科学家的资金也从私人的财产为主,变为了政府的资助为主。如今的科学家人数暴涨,科 学也变成了一个职业和谋生的手段。政府作为资助者,所要的是对社会有用的科学技术。除非真的是能够回答宇宙起源这样重大的问题,那么纯粹研究无用之用的科 学题目,不可能得到资助,只能存在于科学家的业余兴趣中。

最后,我想到了一个有趣的问题:如果某学者从政府或者公众获得的资助,去进行研究获得新的知识却不公开,而利用这种信息不对称在金融上获取个人利益,这种行为在道德上正当吗?

认识自己


我 念书时算是好学生,但从来都不是最顶尖的那种。虽然考进了省重点高中,可成绩从未进入过班级前十。 高考正常发挥,于是我来了一个全国排名前十的重点大学念书。大学仍旧是平平常常,三十多人的班上,我的成绩也就排在十名左右吧。就这么晃晃悠悠毕业了,也 没有多想,就考了本系的研究生。是,我成绩一般,连保送资格都没有。可我也没有起工作的念头,只是一门心思想要多学学物理,争取能够靠研究物理为生。我给 自己打气说,好好做,前百分之五的人不愁没有饭吃。现在看来这真是莫名其妙的乐观。

我念完硕士,又念了博士,在进入大学十年之后,顺利拿到 了博士学位。那时候我已经很清楚,自己靠研究物理吃饭问题不大,可是要做出什么惊天动地的成绩来,是很难的。研究生期间,我出过国,参加过很多学术会议, 牛人见了一大批,认识到自己眼界的局限和学术水平高低。我觉得自己距离牛人太远了,肯定没希望做重要的工作,但是做一些让自己感兴趣的研究工作,还是有这 个能力的。认识自己后,博士毕业时我打算留校工作,或者回老家附近工作。回武汉工作一段时间之后,我觉得不适应,又离开了去中科大做博后。辗转两年之后, 我来到了清华大学工作,这里更是一个牛人扎堆的地方。

为什么我这样一个中等的学生,最终居然还能在中国最好的大学找到一份研究工作?一个重 要的原因是,那些比我聪明,比我学习成绩好的同学,大都并没有把科研作为自己的职业首选。他们早早就去工作了。我是剩下来的,坚持下来的那一小部分,剩者 为王。我心里清楚,即使来清华工作了,有了一流的平台和工作条件,有了一堆牛人做同事,我还是我,没有超群的智力,也没有耀眼的学术背景。我能凭借的只有 坚持和专注。既然拥有如此好的学术环境,我就一定要瞄准重要的问题,瞄准实验和理论的难题,争取解决它们。不这样做,不仅无法生存下来,也辜负了国家对清 华如此大力度的投入。

认识自己,不是容易的事情。对自我的认识和期许,会随着时间和环境的变化而不断地改变。发现自我,是一个发现自我潜力的过程,也是一个发现自己极限的过程。我是谁,这是一个永恒的问题。