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本科生科技创新培养计划

项目介绍

一起来参与吧！

活/动/简/介

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本科生科创计划

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　　《物理学院本科生科技创新培养计划》已连续实施5年，有力推进了科研与教学的双向融通。科创计划实施以来，已孵化多项优秀科研项目，参与学生获评挑战杯特等奖、一等奖和多项冯如杯奖项。如今，全院本科生参与率达90%，科创培养计划已成为师生互动共筑优秀成果的重要平台。

4月20日周三下午14:00，各位老师会为同学们进行项目宣讲，感兴趣的同学请不要错过呦～

项/目/汇/总

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选择你心仪的项目

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01

项目名称

拓扑量子态的经典系统实现

指导老师

胜献雷

项目信息

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拟招募人数：3

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项目研究时间：2年

项目内容简介

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拓扑量子态与拓扑材料是凝聚态物理的研究前沿之一。实陈数拓扑物态是近几年发展起来的一种新型拓扑物态，其特点是哈密顿量是实数，相应波函数也是实数，因而定义的拓扑数被称为实陈数。实陈数拓扑物态不仅可以在量子系统中实现，也可以在各种经典系统中存在，例如电路系统、声学系统、光学系统和力学系统等。

本项目专门为优秀本科生设计，学过大学物理和线性代数即可入门，深入钻研学无止境。

主要工作内容

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模型计算，需要一定的物理基本功和编程能力，或勇于钻研的精神

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系统仿真，利用计算机模拟一个经典系统

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实验研究，在上述两步的基础上，在实验上验证

招募要求

要求学生对以下三种技能之一感兴趣：

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推导公式，构建模型哈密顿量

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操作电脑，做计算机模拟

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动手实验，或力学系统的3D打印，或电路系统的信号调制等

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02

项目名称

冷原子量子计算机上实现四体相互作用和toriccode模型

指导老师

崔健

项目信息

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拟招募人数：2-4

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项目研究时间：18个月

项目内容简介

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量子计算是物理学、数学和信息学最前沿的交叉学科，是当今国际上科研合作和竞争的焦点领域，是关乎重大国家战略安全的硬核科技。冷原子阵列是硬件上实现量子计算机最有竞争力的物理平台之一。Toriccode模型包含x方向和z方向的四体相互作用，是拓扑量子物态领域里最基本、最重要的模型，在量子计算机上实现该模型意义重大。然而自然界中的原子等真实粒子之间往往只存在两体相互作用。本项目基于冷原子系统中的电磁诱导透明现象和里德堡阻塞效应在冷原子阵列中实现等效四体相互作用，再利用优化控制和机器学习的策略提升其保真度，进而在冷原子量子计算机上实现toriccode模型，为以后系统研究多体量子系统拓扑物态扫清道路。本项目来源于导师在研的国家重点研发计划“物态调控”重点专项。

主要工作内容

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1.学习冷原子量子计算机的基本原理和主要特征、含时薛定谔方程动力学的求解方法和优化控制或机器学习方法

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2.编写程序数值计算冷原子量子计算机中5个原子组成的最小基本单元的时间演化，并利用优化控制或者机器学习方法通过多次迭代计算出实现4体等效相互作用的外加激光的最优波形

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3.验证周围原子额外相互作用对该方案的影响

招募要求

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1.每周拿出固定时间用于项目内容的学习和研究

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2.积极主动，乐于与导师和学长以及同伴交流讨论

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3.有能力（至少有意愿）阅读英文科研论文或英文专业书籍章节

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4.学过计算机编程基础知识（有编程经验者优先考虑，编程语言不限）

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03

项目名称

异核里德堡原子量子计算机上新奇物态的研究

指导老师

崔健、龚寿书

项目信息

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拟招募人数：2-4

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项目研究时间：18个月

项目内容简介

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量子计算机是当前正在发生的第二次量子革命的核心目标和动力，目前已经在很多例子中展现出了相对经典计算机在计算能力上碾压性的优势。本项目利用异核里德堡原子量子计算平台特有的多种相互作用形式、可调外场、任意形状晶格结构和任意大小的原子间距、超高相干性和精确到单个比特的测量能力等优势探索自然界中可能存在的新奇物态。这些新奇物态主要涉及到拓扑有序态、长程纠缠态、自旋液体态等凝聚态物理和量子多体物理等领域前沿热点问题。随着最近几年量子霸权/量子优势的展现，用量子计算机研究以上新奇物态具有凝聚态材料实验所无法胜任的优势。本项目来源于导师在研的国家重点研发计划“物态调控”重点专项，将由崔健和龚寿书两位导师联合指导。

主要工作内容

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1.学习冷原子量子计算机的基本原理和主要特征、多体量子系统基态的计算方法和薛定谔方程动力学的求解方法

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2.学习自旋液体态、长程纠缠态、拓扑有序态的基本理论和物理原理

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3.编写程序计算几种候选晶格和原子排布的冷原子系统的基态和动力学，研究其中物态的激发性质、拓扑性质和纠缠性质

招募要求

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1.积极主动，乐于与导师和学长以及同伴交流讨论

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2.有能力（至少有意愿）阅读英文科研论文或英文专业书籍章节

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3.学过计算机编程基础知识（有编程经验者优先考虑，编程语言不限）

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04

项目名称

“人造辐射带”中低频漂移波的形成机制模拟研究

指导老师

李博

项目信息

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拟招募人数：2

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项目研究时间：2年

项目内容简介

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利用超导的磁悬浮电流线圈在实验室中产生被偶极磁场捕获的高能电子组成的“人造辐射带”。实验观测发现会准周期的爆发交换不稳定性并与高能电子的磁漂移产生共振。虽然我们对于“人造辐射带”中的带电粒子径向输运已经有了一定的了解，但是对于偶极场约束的等离子体中的低频漂移波的形成机制仍需进一步研究。本项目与美国哥伦比亚大学的CTX“人造辐射带”实验装置开展合作，通过理论推导和数值计算研究偶极场约束的等离子体中的湍流和输运过程。

主要工作内容

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1.运行和改进课题组里的数值模拟程序

理解程序的基本原理。通过运行程序优化参数。根据课题研究需求改进程序

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2.结合已经发表的相关理论，分析模拟数据

对CTX已发表的实验现象和相关理论解释做到大致了解。选出自己感兴趣的物理问题，通过运行程序和分析数据开展研究

招募要求

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1.对磁约束等离子体物理感兴趣，并且渴望进行相关前沿问题的研究

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2.对电磁学有较好掌握

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3.对MATLAB或python有使用经验

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4.GPA3.0

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05

项目名称

应力Dice晶格上玻色子的赝朗道能级

指导老师

郭怀明

项目信息

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拟招募人数：2

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项目研究时间：1年

项目内容简介

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量子力学中，电子在磁场中运动会产生朗道能级。在石墨烯的研究中，人们发现特殊形式的应力可以产生类似于磁场的性质，将之称为“赝磁场”。赝磁场会导致类似朗道能级的赝朗道能级。我们课题组前期在磁子的赝朗道能级上开展了一系列研究工作并且已经将应力产生的赝磁场扩展到Dice晶格上。玻色子与费米子有不同的统计性质，因此一个很有趣的问题是玻色子是否也会感受到赝磁场的效应。本项目将针对应力Dice晶格上玻色子的赝朗道能级开展研究工作。

主要工作内容

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1.量子蒙特卡罗程序编写

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2.进行数值计算

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3.分析计算结果，科学制图

招募要求

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1.熟悉一门高级数学软件，matlab或者phthon

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2.熟悉一门编程语言，c或者fortran

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3.愿意深入了解量子力学、统计力学等物理知识

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4.对科学研究比较有兴趣，能够投入一定的时间

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06

项目名称

量子相干电子源的研究

指导老师

李文萍

项目信息

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拟招募人数：4

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项目研究时间：.4-.12

项目内容简介

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本项目拟采用理论分析和仿真计算相结合的方法研究双势阱电子谐振腔内量子电子的操控和高性能周期传输，为实现量子电子无相互作用成像提供理论参考。首先，从波函数理论出发，分析量子态——样品电子和参考电子与双势阱电子谐振腔参量之间的关系，建立几何电子光学和量子电子光学联系，获得量子相干的样品电子和参考电子；接着，利用自动微分法追踪样品电子和参考电子，并优化双势阱电子谐振腔的位置、结构和电气参数来降低球差系数和色差系数，调控样品电子和参考电子的周期传输，获得可控的量子相干电子源。

主要工作内容

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1.学习《电子光学》像差理论和《量子光学》量子传输理论

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2.利用课题组国际商用软件求解电磁场和电子运动轨迹

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3.自动微分法追踪电子轨迹程序改进，包括界面设计、高精度插值函数以及后处理

招募要求

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1.熟悉电磁场理论和几何光学

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2.有一定的编程基础，C语言最佳

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07

项目名称

基于量子计算机的第一性原理算法发展与计算应用

指导老师

赵润东

项目信息

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拟招募人数：3

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项目研究时间：1-2年

项目内容简介

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量子计算机被认为是下一代计算机的雏形，其量子比特所具有的叠加态优势使其对特定体系有着天然的算力优势，速度可达常规超级计算机的万亿倍以上。尽管尚处于实验室阶段，量子计算也早已是各国科技领域的一大角逐点：目前较为成功的一个应用是量子化学中的第一性原理计算，谷歌及IBM等机构已报道过对部分小型体系（如对金刚石中碳键）的模拟情况。

量子计算机与经典计算机的底层原理有本质差别，这使得经典计算机上的算法并不适用于量子计算机，原则上所有算法均需重新设计。本项目旨在在熟悉第一性原理理论的基础上，发展适用于量子比特的算法，以用于将来在量子计算机上实现对特定化学体系的应用。课题组目前与中科院软件所及中科大的团队进行合作，依托于中科大的“九章”及“祖冲之”原型机。

主要工作内容

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第一阶段讲授第一性原理计算的简要理论（包含初步的量子力学原理）及软件使用方法，培养快速上手能力。以一些凝聚态物理及计算化学中的体系为例，练习计算模拟能力，在解决实际科研问题的同时熟练掌握第一性原理计算背后的量子力学理论。

第二阶段学习现代量子计算机的qubit工作原理，根据对理论的掌握情况，尝试发展新的用于量子计算机的算法及程序。

招募要求

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掌握大学物理、微积分、线性代数、数学物理方法；最好有量子力学基础，如之前无基础，导师可进行培训。

本项目不涉及实验，因此主要面向对理论、计算软件使用，包括编程感兴趣的同学。

课题组研究介绍：

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