量子科學與工程研究中心Center for Quantum Science and Engineering (CQSE)

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Motivations

• 最近十年來，許多科技的發展指向一個科學與工程的新時代，特別是在數學、物理及計算機的交叉口上的科技有極快速的發展，顯示出與直覺相違背(counterintuitive)

和極微妙的「量子力學」(quantum

mechanics)，可提供一個尚未開發的巨大資源，以及革命技術的能力，這個新興的主題是「控制量子的世界」(controlling the

quantum world)。

Six Grand Challenges and Compelling Research Opportunities for

AMO Science in the Next Decade

1. Revolutionary new methods to measure the nature of space and time

with extremely high precision. This new capability creates unprecedented new

research opportunities.

革命性的新方法來精確測量時間與空間的性質及宇宙的常數。

2. Ultracold AMO physics is one of the most successful new AMO research area

of the past decade and led to the development of coherent quantum gases, such

as Bose-Einstein Condensate (BEC). This new field is poised to make major

contributions to resolving important fundamental problems in condensed matter

and AMO science and in plasma physics, bringing with it new interdisciplinary

opportunities.

超冷物質(ultra cold matter)物理，如：玻色-愛因斯坦(Bose-Einstein) 凝聚(condensate)：是宇宙間最冷以及一種新的物質形態。這項新的領域帶來跨科學的新契機，並能解決在凝態物理、原子分子物理,及離子體 (plasma) 的一些重要問題。

3. High-intensity and short-wavelength sources such as new x-ray free-

electron lasers, very-high-order harmonic generation (HHG), and

attosecond lasers promise significant advances in AMO science,

condensed matter physics and materials research, chemistry, medicine,

and defense-related science.

超高強度(ultra-high-intensity)及超短波長 (ultra- short-wavelength)的雷射器：將可促進原子分子科學、凝態物理、材料研究、化學、醫藥以及與國防相關科學的重大進展。

4. Ultrafast quantum control will unveil the internal motion of atoms within

molecules, and of electrons within atoms, to a degree thought impossible

only a decade ago. This is sparking a revolution in the imaging and coherent

control of quantum processes and will be among the most fruitful new areas

of AMO science in the next 10 years.

超快量子控制 (ultrafast quantum control)科技：可直接顯示出電子在原子及分子內的動態，將引發成像 (imaging)及相干控制量子過程(coherent control of

quantum processes) 的科技的重大突破。

5. Quantum engineering on the nanoscale of tens to hundreds of atomic

diameters has led to new opportunities for atom-by-atom control of

quantum structures using the techniques of AMO science.

奈米光子學(nanophotonics)：利用原子、分子及光學科技，可控制奈米物質的量子結構，將激發分子科學及光子科學的迅速發展，預計於社會應用上 將有深遠的影響。

6. Quantum information is a rapidly growing research area in AMO science

and one that faces special challenges owing to its potential application in

data security and encryption. Multiple approaches to quantum computing

and communication are likely to be fruitful in the coming decade, and open

international exchange of people and information is critical in order to

realize the maximum benefit.

量子信息 (quantum information science),量子計算 (quantum computing)及量子通訊(quantum communication)對於基礎科學的研究突破以及開發信息的國際交流，至關緊要。

這些新的挑戰將會推動量子實驗及理論的重要發展，且都與研發新的精密儀器有著密切關聯，也有助於社會國家的需要。 有鑑於此，美國哈佛大學在2006年首先成立了第一個「量子科學及工程研究所」(Institute for

Quantum Science and Engineering (IQSE))，IQSE是促進跨學科研究和教育的新領域，應用量子力學的原理來發展先進的科技，從事量子控制的研究。目前國際頂尖大學紛紛成立類似的研究機構，競爭此一最前沿學術的世界領導地位。

為了提升國立臺灣大學(以下簡稱本校)此一領域的基礎，促進我國研究量子科學與工程嶄新科技研究及教學之發展，強化與中央研究院及國內其他相關學術單位人才與資源之交流與整合，推動與國際相關學術機構進行長期合作交流，以及協助本校成為世界一流的量子學術重鎮，在去年底(2007)，我們向本校研究發展處提出「量子科學及工程研究中心」的拔尖計畫，目前已獲研究發展處三年的研究經費。

目前參加此「量子科學及工程研究中心」的學術單位，包括本校九個系所及中心、中央研究院之原分所及應用科學中心，以及交通大學之應用化學系及物理研究所。基於各層面的考量，特向本校申請成立一校級功能性「量子科學及工程研究中心」，以便發揮本中心最大潛力，「量子科學及工程研究中心」將是本校也是我國第一個跨領域及尖端的量子中心。

Nobel Prizes Related to Atomic, Molecular,

and Optical (AMO) sciences in the Last 10 Years

1997: S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. D. Phillips

(Laser cooling/trapping)

1998: W. Kohn, J. A. Pople (DFT)

1999: A. H. Zewail (Femtosecond Science)

2001: E. A. Cornell, W. Ketterle, C. E. Wieman (BEC)

2005: R. J. Glauber (Quantum Optics)

J. L. Hall, T. W. Hänsch (Comb Laser)

量子科學與工程研究中心Center for Quantum Science and Engineering (CQSE)

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CQSE Participating Institutions/Departments

National Taiwan University

Department of Physics

Department of Chemistry

Department of Mathematics

Department of Electrical Engineering

Department of Computer Sciences and Information Engineering

Department of Engineering Science and Ocean Engineering

Department of Atmospheric Sciences

Institute of Applied Mechanics

Center for Condensed Matters Research

National Chiao Tung University

Institute of Physics

Department of Applied Chemistry

Academia Sinica

Research Center for Applied Sciences

Institute of Atomic and Molecular Science

五、 CQSE Participants 參與人員

單位/校 學院/系所 教 師 系 所 職 稱

國立臺灣大學 理學院物理系 朱時宜 教授,中研院院士

中央研究院/交大 應用化學系 林聖賢 教授,中研院院士

國立臺灣大學 電機工程學系 郭斯彥 教授

國立臺灣大學 理學院物理系 張慶瑞 教授

國立臺灣大學 工程科學系 許文翰 教授

國立臺灣大學 理學院物理系 趙挺偉 教授

國立臺灣大學 理學院大氣科學系 郭鴻基 教授

國立臺灣大學 理學院物理系 石明豐 教授

國立臺灣大學 理學院物理系 賀培銘 教授

國立臺灣大學 理學院物理系 何小剛 教授

國立臺灣大學 應用力學所 楊照彥 教授

國立臺灣大學 理學院物理系 闕志鴻 教授

國立臺灣大學 理學院數學系 陳宜良 教授

國立臺灣大學 理學院數學系 王偉仲 教授

國立臺灣大學 電機工程學系 吳瑞北 教授

國立臺灣大學 電機工程學系 張宏鈞 教授

國立交通大學 理學院物理所 江進福 教授

中央研究院 應用科學研究中心 張亞中 特聘研究員兼中心主任

中央研究院 應用科學研究中心 謝東翰 研究助技師

中央研究院 原分所 孔慶昌 研究員

中央研究院 原分所 魏金明 研究員

中央研究院 原分所 鄭王曜 助理研究員

國立臺灣大學 應用力學所 趙聖德 副教授

國立臺灣大學 理學院物理系 管希聖 副教授

國立臺灣大學 理學院物理系 董成淵 副教授

國立臺灣大學 理學院物理系 陳俊瑋 副教授

國立臺灣大學 理學院化學系 金必耀 副教授

國立臺灣大學 理學院物理系 高英哲 副教授

國立臺灣大學 電機工程學系 蔡一鳴 兼任助理教授

CQSE Initial Goals

• To advance progress in frontier quantum theoretical sciences on all scales.

• To stimulate the interaction among theorists and experimentalists for the

development of novel quantum technologies for probing ultra-fine scale

and ultra-fast quantum dynamics.

• To foster cross-disciplinary interaction among active researchers in

quantum science and engineering at NTU and Academia Sinica, and other

leading institutions in Taiwan to build a leading quantum center.

• To recruit outstanding quantum researchers to the center.

• To promote international exchange and cooperation with global scientists

and leading institutions.

• To provide an intellectually stimulating environment for the training of

students in advanced quantum science and technology.

CQSE Projects

1. Atomic, Molecular, and Optical Science and Frontier Technology

原子分子與光學嶄新科技

2. Quantum Computing and Quantum Information/Communication

量子計算與量子資訊 / 通信

3. Frontier of Theoretical Quantum Physics

理論量子物理前沿

4. Advanced Studies in Condensed Matter Theory

凝態理論高等研究

5. Computational Science and Engineering

計算科學及工程

Atomic, Molecular, and Optical Science

and Frontier Technology

原子分子與光學嶄新科技

Shih-I Chu 朱時宜 (NTU, Physics)

Sheng-Hsien Lin 林聖賢 (NCTU, Chemistry)

Wang-Yau Cheng 鄭王曜 (IAMS, Academia Sinica)

Chen-Yuan Dong 董成淵 (NTU, Physics)

Sheng Der Chao 趙聖德 (NTU, Applied Mechanics)

Andy Kung* 孔慶昌 (IAMS, Academia Sinica)

Ming-Feng Shih* 石明豐 (NTU, Physics)

Tsin-Fu Jiang* 江進福 (NCTU, Physics)

*Affiliated member

Sy-Yen Kuo 郭斯彥 (NTU, EE)

Hsi-Sheng Goan 管希聖 (NTU, Physics)

Shih-I Chu 朱時宜 (NTU, Physics)

I-Ming Tsai 蔡一鳴 (NTU, EE)

Quantum Computing and

Quantum Information / Communication

量子計算與量子資訊 / 通信

Frontier of Theoretical Quantum Physics

理論量子物理前沿

Pei-Ming Ho 賀培銘 (NTU, Physics)

Xiao-Gang He 何小剛 (NTU, Physics)

Ting-Wai Chiu 趙挺偉 (NTU, Physics)

Jiunn-Wei Chen 陳俊瑋 (NTU, Physics)

Advanced Studies in

Condensed Matter Theory

凝態理論高等研究

Ching-Ray Chang 張慶瑞 (NTU, Physics)

Ching-Ming Wei 魏金明 (IAMS, Academia Sinica)

Bih-Yaw Jin 金必耀 (NTU, Chemistry)

Ying-Jer Kao 高英哲 (NTU, Physics)

Yia-Chung Chang 張亞中 (RCAS, Academia Sinica)

Guang-Yu Guo* 郭光宇 (NTU, Physics)

Chong Der Hu* 胡崇德 (NTU,Physics)

Chao-Cheng Kaun* 關肇正 (RCAS, Academia Sinica)

* Affiliated member

Computational Science and EngineeringComputational Science and Engineering

計算科學及工程計算科學及工程

Wen-Hann Sheu (許文翰) (NTU, Engineering Science)

Ting-Wai Chiu (趙挺偉) (NYU, Physics)

Shih-I Chu (朱時宜) (NYU, Physics)

Hung-Chi Kuo (郭鴻基) (NTU, Atmospheric Science)

Jaw-Yen Yang (楊照彥) (NTU, Applied Mechanics)

Sheng-Der Chao (趙聖德) (NTU, Applied Mechanics)

Tzihong Chiueh (闕志鴻) (NTU, Physics)

Ying-Jer Kao (高英哲) (NTU, Physics)

Ching-Ming Wei* (魏金明) (Academia Sinica)

I-Ling Chern* (陳宜良) (NTU, Math)

Weichung Wang* (王偉仲) (NTU, Math)

Keh-Ming Shyue*(薛克民) (NTU, Math)

Ruey-Beei Wu* (吳瑞北) (NTU, EE)

Hung-Chun Chang* (張宏鈞) (NTU, EE)

Bih-Yaw Jin* (金必耀) (NTU, Chemistry)

Tung-Han Hsieh* (謝東翰) (Academia Sinica)

* Affiliated member

19

20

Summary of the tasks in computational science and

engineering

Multi-Scale

Simulation

Nano-Scale

(2, 3, 7, 8)

Normal-Scale

(5, 6)

Large-Scale

(10)

Covering Multiple

Physics

•－Astrophysical N-body

•－Navier-Stokes Equation

•－Quantum Navier-Stokes/

Euler Equations

•－Boltzmann Equation

•－Wigner-Boltzmann Equation

•－Maxwell Equation

•－Schrödinger Equation

•－Quantum spin system

•－QCD

Involving

Multiple-Particle

and Physics (4)

QCD (1)

(9)

Multi-Scale Molecular Simulation and Gas-Kinetic

21

Our aims:

• To establish an interdisciplinary study of advancedcomputational algorithms and their applications inlarge scale computations in science and engineering,which has been long overdue at NTU.

• To provide a platform for experts in computationalscience and engineering to get together, to developnew algorithms of common interests, and to benefit from each other’s expertise.

• To build up supercomputer network for large scale computing.

22

GPU Supercomputer of CQSE

• CQSE is now acquiring a GPU cluster

which constitutes of 16 units of Nvidia

Tesla S1070 (total 64 GPU, 64 x 4 GB),

the first GPU supercomputer in NTU.

• The peak performance is 64 Tflops,

which is at least 50 times higher

than that of any PC cluster with the

same price tag.

• With our GPU supercomputer, we can

tackle many large scale computations

without using the prohibitively expensive

supercomputers like IBM BlueGene/L.

• We have developed highly efficient

CUDA (Compute Unified Device Architecture )

codes for our computationally intense problems

(QCD, quantum Monte Carlo, and

self gravitating gas, etc).

CQSE International and

Interdisciplinary

Activities since Oct. 2008

Workshops and Mini-Schools

CQSE International Forum in Condensed Matter Science

Date : Nov. 26 (Wed.), 2008

Place: Rm 104, International Auditorium, Dept. of Physics, NTU

NTU Forum in Condensed Matter Science R104

Time Forum Panelist

14:00-14:20 How to become an excellent center Prof. Peter Fulde

14:20-14:50

Criteria for the excellence of Theoretical Center

Moderator : Prof. Chu, Shih-I

Prof. Peter Fulde

Prof. Sadamichi Maekawa

Prof. Xin-Cheng Xie

Prof. George Wei-Shu Hou

Prof. Chung- Yu Mou

Prof. Yan-Ten Lu

14:50-15:20 Panel Discussion

15:20-15:50 Break

15:50-16:10New trend of condensed matter science in 21th

CenturyProf. Sadamichi Maekawa

16:10-16:40

New research directions of condensed matter

Theory

Moderator : Prof. Chang, Ching-Ray

Prof. Peter Fulde

Prof. Sadamichi Maekawa

Prof. Xin-Cheng Xie

Prof. Yia-Chung Chang

Prof. Ting-Kuo Lee

Prof. Ching-Ming Wei

16:40-17:10 Panel Discussion

4th Winter School on

Quantum Information Science

Feb. 11-14, 2009

CQSE Weekly Interdisciplinary

Seminar Series

97年度第二學期CQSE活動列表(1-3)

97年度第二學期CQSE活動列表(2-3)

97年度第二學期CQSE活動列表(3-3)

CQSE 6th Weekly Seminar