《量子信息导论》课程介绍
时间：周二下午第四节
地点：24楼301
对于我们学习计算机课程的同学来说，都知道”Alan Turing”， 1936年24岁的Turing发表了一篇令人瞩目的论文“论数字计算在决断难题中的应用”。在这篇开创性的论文中，Turing给“可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出著名的“图灵机”(Turing
Machine)的设想。“图灵机”不是一种具体的机器，而是一种思想模型，可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置，用来计算所有能想象得到的可计算函数。
Turing的论文发表不久，建成了第一台电子计算机，Jonn Von Neumann采用实际元件实现通用Turing机的全部功能，设计了一个简单的理论模型。
世界上第一台电子数字式计算机于
1947年，从晶体管的发明开始，计算机硬件的能力以惊人的速度增长，到1965年Gordon Moore把这种规律概括为Moore律，也就是计算机的能力以固定的速率成长，大约每两年增加一倍。令人吃惊的是，从20世纪60年代开始，Moore律在几十年里都近似成立。让我们来看看今天的计算机。
日本研制了最小的计算机，CPU是300 MHz，16MB板载闪存,运行的操作系统是Linux OS，64MB SDRAM内存，只有骰子大小：
虽然计算机变得越来越小，但是它和庞大的重达30吨的ENIAC在原理上并没有什么本质的区别。
计算机硬件的快速发展给我们带来了很多惊喜。但是不乐观的是，大多数科学家都预言这种发展将在21世纪的前20年内结束，也就是说芯片计算机即将走到尽头。为什么呢？因为电子器件越做越小的时候，它的功能开始受到量子效应的干扰。
同样对我们计算机专业的同学来说，你会发现自己相对于其他专业的优势在减弱，2000年左右计算机专业在国内是多么的鼎盛和炙手可热。当计算机的发展遇到瓶颈而转向应用和学科交叉的时候，我们的优势也在减弱。
许多科学家开始探索未来的计算机到底会是什么样子？
1.
分子计算机
计算机专家都承认，人的大脑是世界上最先进的超级计算机，因为它不仅能计算，而且能理解、操作、自我修理、思想和感觉。人脑是有机生物分子组成的极其复杂而有序的神经网络。分子电子学专家认为，能够利用生物分子——特别是蛋白质分子的一些特性来建造计算机组体制改革，它将比任何电子装置更小、更快、功能更强。
日本开发了首台分子电脑，可以模拟大脑工作。
2.
光子计算机
利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。
1990年初，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机。现有的光学晶体管庞大而笨拙，用其造成台式电脑，将有一辆汽车那么大。因此，短期内光子计算机达到实用很困难。
3.
DNA计算机
科学家发现，脱氧核糖核酸（DNA）有一种特性，能够携带生物体各种细胞拥有的大量基因物质。数学家、生物学家、化学家以及计算机专家从中得到启迪，目前正合作研制未来DNA计算机。这种DNA计算机的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，将反应过程进行分子编码，对问题以新的DNA编码形式加以解答。
科学家研制的DNA计算机：
4.
量子计算机
相比于前面的几种未来计算机，量子计算机是目前受到关注最多的，也是被认为最有前景的一种计算机，也许在不久的将来，量子计算机会进入到我们的生活，我们计算机行业的软件和硬件将面临一轮新的变革。
Moore律最终失效问题的一个可能解决办法是采用不同的计算模式。量子计算理论就是这类模式中的一种，量子计算机是采用量子力学而非经典物理学的思想进行计算。
许多科研机构和国家都在研制量子计算机，最为著名的是加拿大公司D-Wave Systems和美国航空航天局（NASA）联合研制的“Orion”量子计算机。
承载16个量子位的硅芯片
负责为硅芯片制冷的超低温设备
隔绝噪音与外来信号干扰的过滤器
硅芯片上16个量子位的光学照片
这台量子计算机是由D-Wave Systems制造，是“全球第一台商用实用型量子计算机”。“Orion”基于一块硅芯片，这块芯片是由美国航空航天局（NASA）制造的量子计算芯片。包含16个量子位(qubit)，可以同时表示0和1两个二元位(电子计算里不是0就是1)，而每一个量子位都能模拟其他量子位的值，从而提高计算能力。在D-Wave公司总部，加拿大温哥华本那比(Burnaby)，量子计算机被液氮冷冻在5mK(毫开)温度下，也就是
“Orion”的拿手好戏就是需要处理海量复杂数据和变量的问题，比如生命科学、生物测定学、变量数据库搜索、计量金融等等科学和商业领域。
D-Wave在2007年2月计划，“Orion”可以在今后加入更多的量子位，在2007年底达到32个，2008年底增至1024个，计算能力则会呈指数级增长。
2008年12月，D-Wave宣布他们制造了128量子位的量子计算机。
而事实上，很多人并不相信D-Wave公司真的制造出了量子计算机。
我国也在抓紧研制量子计算机，中国科学院和中国科学技术大学联合成立了中国科学技术大学量子信息重点实验室，研制国产的量子计算机，虽然我们还未发布量子计算机原型，但是已经取得了一系列国外认可的成果。
本课程给大家介绍关于量子计算的基本知识，另外介绍计算机前沿的最新动态和发展，计算机学科的发展有时是难以预测的，或许不久的将来量子计算机就真正进入到了我们的生活。
课程共分为8讲如下：
第一讲 计算机学科的发展，基本知识和概念
第二讲 量子Fourier变换及其应用
第三讲 量子搜索算法
第四讲 量子计算机
第五讲 量子运算
第六讲 量子纠错
第七讲 熵与信息
第八讲 量子信息论
不需要同学有过多的计算机学科和物理、数学的相关知识，只希望你对计算机学科的一些前沿发展感兴趣！
参考教材：
1. 赵千川译, 量子计算与量子信息（一、二）, 清华大学出版社, 2004.
或者 Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information（英文版）, 高等教育出版社, 2003.
2.
G. Alber, T. Beth, M.
Horodecki, et al., Quantum Information: An Introduction to Basic Theoretical
Concepts and Experiments, Springer,
“科学代表着一个时代最为大胆的思想。她纯粹是人为的。但我们相信，通过追求梦想-发现-解释-梦想的不断循环，我们可以开拓一个个新领域，世界最终会变得越来越清晰，我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的奥妙都是彼此联系和有意义的。”
—— Edward O. Wilson