麻省理工學院線上課程：量子物理-量子資訊科研

Quantum information science, atomic physics, quantum computation,quantum optics.

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如今，量子資訊科學與技術不僅處於基礎學術研究的前沿，而且在量子計算等諸多應用領域也大有可為。經典電腦用比特編碼資訊，比特為 0 或 1，而在量子電腦上，資訊用量子比特編碼，量子比特是 0 和 1 的疊加。這種疊加允許同時進行多個計算，適當的量子演算法可以更快的識別正確的回答。使用量子電腦，我們可以解決很多經典的難題，包括大數分解、類比量子材料和化學、解決例如旅行商問題等NP難優化問題。

本研究課題隸屬於MIT電子學實驗室，研究小組的長期目標是開發一種新方法，以在量子力學方面決定其行為和特性的狀態下操縱多體狀態。一方面，這將導致一種新工具，使人們能夠探測物理定律並以更高的精度測量基本常數。另一方面，實驗方法的進步也驅使我們對量子力學的神秘，美麗，準確，卻又令人深深不滿意的結構有了更深入的瞭解。理論概念和實驗實現之間的這種相互作用有望在諸如量子控制，量子回饋及其限制，多粒子量子系統和多粒子糾纏（量子計算）等領域變得非常肥沃。

Today, quantum information science and technology is not only at the frontier of fundamental academic research, but is also very promising for many applications such as quantum computation. Classical computers encode information with bits, which are either 0 or 1, while on quantum computers, the information is encoded with qubits, which are the uperposition of 0 and 1. This superposition allows multiple calculations simultaneously, and proper quantum algorithms can identify the correct answer much faster. With quantum computers, we can solve classically hard problems, including the large number factorization, simulating quantum materials and chemistry, solving NP-hard optimization problems such as the traveling salesman problems.

科研主題：
量子資訊科學 quantum information science

科研導師：
MIT Research Laboratory of Electronics資深博士後研究員；多個SCI期刊審稿人。側重量子資訊科學，原子物理學，量子計算，量子光學等領域的研究。

適合對象：
欲申請世界名校名校物理、數學、量子資訊科學等相關專業的大學生、研究生以及對量子物理感興趣的高中生

專業背景：
數學、電腦程式設計、物理和工程等相關專業等

科研形式：
實地科研或者遠端線上科研，導師授課+練習實戰結合，完成課題學習、選題、研究實戰及報告撰寫

科研週期：
實地科研：寒暑假期間，前往美國大學校內，每期時長為4周（針對假期不足4周的同學，可採取實地+遠端相結合的方式）
遠程科研：學生與導師約定開始時間，線上交流進行科研學習和探討，每期時間時長4-12周，具體根據學生完成任務的進度確定完成時間。

科研過程：
phase 1：課題基礎知識學習，課程+文獻閱讀
phase 2：確定研究課題，討論研究思路以及研究進展
phase 3：彙報答辯+報告撰寫

※如要詢問細節，請點我Line達仁

研究課題：
裡德堡原子的量子資訊科學

關鍵字：
量子資訊科學，原子物理學，量子計算，量子光學。

最近，基於中性原子的量子計算取得了很多進展。我們的實驗室正在開發一個用於執行量子計算的新平臺。在我們的方法中，量子處理器由大量原子集合組成。每個量子位 (qubit) 都使用嵌入在集合內的不同裡德堡激發進行編碼。通過利用非線性量子光學效應，我們已經證明了對量子態的快速初始化和檢測，因此與之前的研究相比，計算速度提高了兩到三個數量級。此外，裡德堡量子位元狀態和量子位元之間的長程相互作用之間的強耦合允許多量子位門操作。

通過該計畫，學生將學習原子物理學、量子光學和量子計算的基礎知識。如果學生有興趣繼續學習量子資訊科學以及原子、分子和光學物理 (AMO)，這些知識將很有幫助。要求學生開始前應具備量子力學和程式設計方面的一些基礎知識。具有原子物理學和量子資訊科學基礎知識者優先。

Recently, there has been a lot of progress on quantum computation based on neutral atoms. Our lab is developing a new platform for performing the quantum computation. In our approach, the quantum processor consists of large arrays of atomic ensembles. Each quantum bit (qubit) is encoded with different Rydberg excitations embedded inside the ensemble. By harnessing the nonlinear quantum optical effect, we have demonstrated the fast initialization and detection on quantum states, and therefore enhances the computation speed by two to three orders of magnitude compared to previous research. Besides, the strong coupling between the Rydberg qubit states and the long-range interactions between the qubits allow multi-qubit gate operations.

From this program, students are expected to learn the basics of atomic physics, quantum optics, and quantum computation. This knowledge will be helpful if students are interested in continuing their study in quantum information science,and atomic, molecular and optical physics (AMO).

在專案過程中，要求學生選擇一個研究子課題並撰寫課題報告。項⽬學習不局限於以下內容:

• (1) 使用空間光調製器、數位鏡器件和超表面等光學器件生成大型原子集合陣列。
• (2) 為高保真量子門操作和量子糾錯設計新方案。學生可以學習如何使用 ARC（用於 Rydberg 計算的開源包），並使用它來優化方案。
• (3) 使用 Qiskit（IBM 開發的開源量子計算框架）學習和執行量子演算法類比。使用Qiskit 探索高效的量子斷層掃描協定。
• (4) 探索用原子系綜陣列產生非經典光子態的可能性。原子系綜可以將原子態與自由空間光子連接起來；因此，可以產生糾纏光子態，可用於光子量子計算。

Possible projects that students can work on include, but not limit to:

• (1) Generating large arrays of atomic ensembles with optical devices such as spatial light modulator, digital mirror device, and metasurface.
• (2) Design new schemes for high-fidelity quantum gate operations and quantum error corrections. Students can learn how to use ARC (an open-source package for Rydberg calculations), and use it for optimizing the schemes.
• (3) Learning and perform quantum algorithm simulation with Qiskit (an open-source framework for quantum computing developed by IBM). Use theQiskit to explore the efficient quantum tomography protocols.
• (4) Exploring the possibility of generating non-classical photonic states with arrays of atomic ensembles. Atomic ensembles can interface atomic states with free-space photons; therefore, it is possible to generate entangled photonic states, which can be used for photonic quantum computation.

• 》知識提升：深入學習該領域知識和研究方法，積累科研經歷和經驗；
• 》論文能力：完成學術科研報告或者科研論文；
• 》競爭優勢：優秀學員將獲得導師推薦信，助力世界名校申請；
• 》競爭優勢：學術成果有機會在專業國際學術期刊或EI/CPCI國際會議收錄發表；
• 》競爭優勢：積累學術領域人脈；
• 》潛在機會：有機會參加校內的講座/專家研討/學術活動等。

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