段润尧

百度原研究院量子计算研究所所长

段润尧，男，白族，云南省大理州洱源县人，工学博士。本科和博士均就读于清华大学计算机系，师从应明生教授。悉尼科技大学终身教授、澳大利亚研究理事会（ARC）Future Fellow。

人物经历

段润尧于1995年9月考入云南省名校大理一中（其前身为1877年创办的西云书院）州招班就读高中，于1998年8月以大理州高考理科第一名的优异成绩被清华大学计算机系录取。2002年7月和2006年7月分别获得清华大学计算机科学与技术专业的工学学士和工学博士学位。

2006年8月段润尧留校任清华大学计算机系助理研究员，并在2007年10月至2008年4月期间应邀以访问科学家身份赴美国密歇根大学安娜堡分校进行合作研究。

2008年12月他作为高级讲师（终身职位）加入澳大利亚悉尼科技大学量子计算与智能系统中心并组建量子计算实验室，2010年8月晋升为副教授，自2012年7月起担任澳大利亚研究理事会（ARC）Future Fellow和正教授。

2016年9月，段润尧出任悉尼科技大学量子软件和信息研究中心创办主任。

自2018年3月起，段润尧博士再次回到北京并担任百度量子计算研究所所长至今。

社会兼职

悉尼科技大学：量子计算实验室主任（2008年12月-2016年9月）

中国科学院数学与系统科学研究院-悉尼科技大学：中澳量子计算和量子信息处理联合实验室副主任、访问教授（2012年8月-2018年3月）

清华大学-悉尼科技大学：量子计算和人工智能联合研究中心副主任（2013年2月-2018年2月）

中国科学院软件所：兼职研究员（2017年12月-2020年11月）

南方科技大学量子科学与工程研究院：访问教授（2018年1月-2020年12月）

英国艾萨克牛顿数学科学研究所：访问研究员（2013年9月-2013年11月）

量子信息网络产业联盟：副理事长（2022年7月-至今）

量子计算产业知识产权联盟：理事长（2023年3月-至今）

学术兼职

2019年亚洲量子信息科学会议（AQIS’19）程序委员会联席主席（Co-Chair）

2018-至今：《中国科学：信息科学》（Science China Information Sciences）编委

2013-2016：量子信息处理（QIP）会议的管委会（Steering Committee）委员以及2015年度轮值主席（全球华人中目前仅有2000年图灵奖得主姚期智先生曾于2013年担任过此职）（QIP是量子计算和量子信息理论方面最具有影响力的顶级会议）

2015年1月：担任QIP2015组委会负责人带领四所澳洲高校在悉尼成功举办会议。

2017年1月和2018年1月：作为主要组织者与清华大学交叉信息科学研究院的姚班两次举办“清华大学-悉尼科技大学量子计算机科学暑期学校”

自2012至2017年连续六次作为共同组委会主席在中科院数学与系统科学研究院组织国际量子计算和量子信息处理会议（QCQIP 2012-2017）

科研概况

段润尧在2001年下半年在清华大学就读大三时无意中接触到量子计算和量子信息这一新兴领域，随后即追随应明生教授从事相关研究。截至目前，他与合作者已经在国际顶级权威学术期刊或会议上发表或宣读论文百余篇，涉及量子计算的多个方向。最具代表性的五项研究成果简介如下：

信息论的创始人Shannon在1956年提出零错容量（Zero-Error Capacity）的概念用于刻画通信信道精确传递信息的极限，由此开创了零错信息论（Zero-Error Information Theory）的研究。自2007年起有关零错通信中量子效应的探索成为非常活跃的研究方向。段润尧是国际上最早进入这一方向的学者之一，并在其中系统地做出了几项奠基性工作：

1） 2016年段润尧与巴塞罗那自治大学的量子信息专家Winter合作引入一类“量子不可超光速关联”（Quantum No-Signaling Correlations）作为全新物理资源，将著名的Lovász theta函数（由匈牙利著名数学家，沃尔夫奖、Knuth奖、京都奖得主László Lovász于1979年引入）解释为在这种资源辅助下的经典信道的零错容量，从而巧妙地用量子信息的方法解决了传统信息论和图论中自1979年以来一直悬而未决的公开问题。

2） 2012年他和Winter以及伦敦大学学院的Severini给出著名的Lovász theta函数在量子信道上的推广并证明它是纠缠辅助零错容量可有效计算的一个上界。这篇论文还首次引入了非交换图（Non-Commutative Graph）的概念作为经典图的量子推广，从而使得用算子代数研究量子零错通信变为可能。这一工作引发了大量的后续研究，特别地，2018年段润尧和指导的博士生王鑫还取得了量子Lovász theta函数的重要突破。

3） 2016年段润尧和Winter以及Severini进一步获得在“无噪量子反馈”（Noiseless Quantum Feedback）辅助下一个量子信道具有正的零错容量的完整刻画。

4） 2008年段润尧与密歇根大学的施尧耘教授首次发现量子信道和经典信道在零错通信中的一个根本差别，即存在一类奇特的量子信道，单次使用信道没有办法精确传递信息但是两次或者多次使用却可以。

这些工作引起了诸多顶尖学者的广泛关注和进一步研究，最终使得量子零错通信成为了量子信息论不可或缺的一部分。仅举一例，2013年10月，量子信息科学先驱、2016年Shannon奖（信息论最高奖）的获得者Holevo教授在英国剑桥牛顿数学研究所作的“Rothschild杰出访问院士报告”中引用了段润尧的相关工作，并将量子零错通信和非交换图论列为量子信息论中最为重要的研究方向之一。

量子操作（比如量子逻辑门电路、量子测量设备、以及量子信道等）代表了在量子力学所允许的物理可实现操作。量子信息中一个具有根本重要性的问题是刻画量子操作的完美分辨性（Perfect Distinguishability ）。段润尧与冯元和应明生于2009年彻底解决了这一问题，获得判定任意有限个多量子操作可以得到完美分辨的完整刻画。在这结果之前段润尧还给出全新分辨协议证明量子纠缠对于分辨（单方或者多方）酉变换是不必要的，否定了“完美分辨需要纠缠”错误直觉，从而使得这一任务在物理实现上变得可行。已经被国内外的三个知名实验小组独立证实。

量子状态分辨则是量子信息论中另外一个根本重要性的方向。段润尧从2002年起就进行相关研究并取得丰硕成果。仅举一例，2009年段润尧与合作者研究使用可分操作（SEP）分辨一组状态的问题，获得一个总维数为D的多方状态空间中任意D-1个正交状态可以进行精确分辨的完整刻画，进而发现即使在系统上也有一大类可分操作无法用LOCC（局域操作经典通信）操作来实现，从而否定了这一方向的一个重要猜想。

量子纠缠是诸多量子信息处理任务中最核心的物理资源，研究不同纠缠态之间的相互转换对于理论和实际应用都非常要紧。段润尧对量子纠缠如何在不同的量子操作下进行转换进行了深入研究，早在2005年他就证明纠缠催化和多拷贝转换这两种看似完全不同的纠缠转换的基本方式在是等价的。近年来他与合作者（包括多名博士生）在PRL, CMP，以及IEEE TIT发表了一系列论文。特别地，他在2017年与博士生王鑫证明纠缠转换在PPT操作下是不可逆的，从而解决了量子信息论中公开问题列表的第20个问题，是量子纠缠理论方面的一项重要突破。

段润尧长期参与量子程序设计的研究并在量子程序设计语言、量子并发理论、量子程序正确性验证等方向取得进展。他和冯元和应明生于2011年引入了量子进程互模拟的概念，成果首先在POPL（程序设计语言方面的顶级会议）上宣读，扩展版本于2012年发表在ACM TOPLAS。此外，他和应明生共同领导的一个研发团队于2017年10月27日发布了一个量子程序设计环境Q|SI>。这一工具使得程序设计员能使用高级语言编写量子程序，从而有助于传统软件工程师完成从经典编程到量子编程的平滑过渡。

在2010年段润尧与合作者借助于量子信息论的工具对基于量子测量计算的多个看似相差甚远的实例进行了统一处理，而最近他与人工智能专家合作研究使用量子计算加速传统机器学习算法，并给出一个可分非负矩阵分解的量子分治算法（Quantum Divide and Conqur Algorithm），在特定的条件下这个算法可以达到指数时间加速。

人物荣誉

段润尧博士是量子零错通信与非交换图论的主要提出者之一，他解决了量子操作精确分辨性问题。

2014年10月，荣获悉尼科技大学（UTS） Chancellor’s Medal for Exceptional Research. 这是UTS表彰个人或团体杰出研究成果的最高奖项（与应明生教授和冯元教授共同得奖）

2012年7月，荣获澳大利亚研究理事会（ARC）授予的Future Fellowship. 这是一个澳洲政府推出的旨在吸引或者保留最杰出的mid-career研究人员的国家基金计划，每年仅有极少的名额，申请者遍布全球，竞争极为激烈

2006年12月，中国计算机学会（CCF）首届优秀博士学位论文奖

2006年9月，清华大学优秀博士学位论文奖一等奖，并获全国优博提名

2006年7月，清华大学优秀博士毕业生称号

2006年6月，清华大学第十一届“航天海鹰”杯学术新秀

2005年9月，微软学者奖学金（该项奖授予亚太地区杰出博士研究生）

学术成果

发表论文

[1] Runyao Duan, Andreas Winter, No-signalling-assisted zero-error capacity of quantum channels and an information theoretic interpretation of the Lovász number, IEEE Transactions on Information Theory, 2016/01/18.

[2] Runyao Duan, Simone Severini, Andreas Winter, Zero-error communication via quantum channels, noncommutative graphs,and a quantum Lovász number,IEEE Transactions on Information Theory, 2013/01/16.

[3] Xin Wang, Runyao Duan, Separation between quantum Lovász number and entanglement-assisted zero-error classical capacity, IEEE Transactions on Information Theory, 2018/02/15.

[4] Runyao Duan, Simone Severini, Andreas Winter On zero-error communication via quantum channels in the presence of noiseless feedback, IEEE Transactions on Information Theory, 2016/08/16.

[5] Runyao Duan, Yaoyun Shi, Entanglement between two uses of a noisy multipartite quantum channel enables perfect transmission of classical information, Physical Review Letters, 2008/07/10.

[6] Runyao Duan, Yuan Feng, Mingsheng Ying, Perfect distinguishability of quantum operations, Physical Review Letters, 2009/11/20.

[7] Runyao Duan, Yuan Feng, Mingsheng Ying, Local distinguishability of multiparite unitary operations, Physical Review Letters, 2008/01/17.

[8] Runyao Duan, Yuan Feng, Mingsheng Ying, Entanglement is not necessary for perfect discrimination between unitary operations, Physical Review Letters, 2007/03/12.

[9] Runyao Duan, Yuan Feng, Yu Xin, Mingsheng Ying, Distinguishability of quantum states by separable operations, IEEE Transactions on Information Theory, 2009/02/25.

[10] Nengkun Yu, Runyao Duan, Mingsheng Ying, Distinguishability of quantum states by positive operator-valued measures with positive partial transpose,IEEE Transactions on Information Theory, 2014/03/13.

[11] Nengkun Yu, Runyao Duan, Mingsheng Ying, Four locally indistinguishable ququad-ququad orthogonal maximally entangled states, Physical Review Letters, 2012/07/13.

[12] Eric Chitambar, Runyao Duan, Min-Hsiu Hsieh, When do local operations and classical communication suffice for two-qubit state discrimination? IEEE Transactions on Information Theory, 2013/08/08.

[13] Xin Wang, Runyao Duan, Irreversibility of asymptotic entanglement manipulation under quantum operations completely preserving positivity of partial transpose, Physical Review Letters, 2017/11/03.

[14] Yinan Li, Youming Qiao, Xin Wang, Runyao Duan, Tripartite-to-bipartite entanglement transformation by stochastic local operations and classical communication and the structure of matrix spaces, Commmunications in Mathematical Physics, 2018/01/08.

[15] Eric Chitambar, Runyao Duan, Nonlocal entanglement transformations achievable by separable operations, Physical Review Letters,2009/09/08.

[16] Nengkun Yu, Cheng Guo, Runyao Duan, Obtaining a W state from a Greenberger-Horne-Zeilinger state via schochastic local operations and classical communication with a rate approaching unity, Physical Review Letters, 2014/04/21.

[17] Lin Chen, Eric Chitambar, Runyao Duan, Andreas Winter, Tensor rank and stochastic entanglement catalysis for multipartite pure states, Physical Review Letters, 2010/11/08.

[18] Eric Chitambar, Runyao Duan, Yaoyun Shi, Tripartite entanglement transformations and tensor rank,Physical Review Letters, 2008/10/02

[19] Yuan Feng, Runyao Duan, Mingsheng Ying, Bisimulation for quantum processes, ACM Transactions on Programming Languages and Systems, 2012/12/01

[20] Xie Chen, Runyao Duan, Zhengfeng Ji, Bei Zeng, Quantum state reduction for universal measurement based computation, Physical Review Letters, 2010/07/07.

[21] Yuxuan Du, Tongliang Liu, Yinan Li, Runyao Duan, Dacheng Tao, Quantum divide-and-conquer anchoring for separable non-negative matrix factorization, 2018 IJCAI International Joint Conference on Artificial Intelligence, pp. 2093-2099.

[22] Kun Fang, Xin Wang, Marco Tomamichel, Runyao Duan, Non-Asymptotic Entanglement Distillation, IEEE Transactions on Information Theory, 2019/05/06

学术报告

长期致力于中国量子计算和量子信息科学的科普活动，特别地，2017年3月-11月，先后在武汉大学、上海交大（致远学院ACM班）、清华大学、北京大学、中科院数学与系统科学研究院、复旦大学、中山大学等多地作了题为“量子计算：一次正在进行中的信息技术革命”的报告。

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