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量子程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

作者：王震宇
出版社：清華大學(xué)出版社出版時(shí)間：2022-10-01
開本： 其他 頁數(shù)： 216
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量子程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 版權(quán)信息

量子程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 本書特色

1.適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的新需求，填補(bǔ)相關(guān)空白。 當(dāng)前各國(guó)均在國(guó)家戰(zhàn)略層面大力投入人才資金在爭(zhēng)取量子霸權(quán)的制高點(diǎn)。目前量子領(lǐng)域的教材主要集中在量子物理、量子力學(xué)和量子信息角度來講述，雖然這些領(lǐng)域的量子編程思想和目的不一樣，但卻具有很多共性的思想和理論。本書將從量子程序設(shè)計(jì)理論和方法的角度來闡述量子編程的原理和方法。目前市場(chǎng)上沒有同類的教材。 2.闡述量子計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)背后的共性工作原理，重點(diǎn)解決量子程序?yàn)槭裁礊楹芜@么編、為何要這么測(cè)量等問題，降低量子程序編程入門門檻。 目前為數(shù)不多的若干教材在介紹量子算法設(shè)計(jì)，有二三本講講述特定平臺(tái)上特定量子語言的編程技術(shù)。這些書均要求讀者對(duì)量子技術(shù)、對(duì)應(yīng)平臺(tái)和語言有較深入的了解，入門門檻高。本書目的是幫助讀者深入理解量子程序設(shè)計(jì)的編程框架和工作原理，降低入門門檻。 3.本書旨在通過量子程序設(shè)計(jì)和編程思想的教學(xué)，建立新的量子技術(shù)新思維。 當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)只有少數(shù)科研機(jī)構(gòu)才有，但量子模擬器上可以讓更廣泛的學(xué)生來運(yùn)行量子程序。量子科學(xué)當(dāng)前是一門新興的交叉學(xué)科，當(dāng)前越來越多的人員從事量子計(jì)算、量子通訊、量子物理等相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)和研究，量子編程是大家都需面對(duì)的問題。

量子程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書系統(tǒng)介紹量子線路和量子程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)及原理方法，精選的內(nèi)容與編程實(shí)例旨在幫助學(xué)生培養(yǎng)量子程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和分析等方面的基本能力，從而為將來的學(xué)習(xí)、研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 全書既注重原理，又注重實(shí)踐，學(xué)生通過編程訓(xùn)練和實(shí)踐能更準(zhǔn)確地理解量子計(jì)算的基本概念和基礎(chǔ)理論。本書概念講解清楚，邏輯性強(qiáng)，通俗易懂，并配有大量圖表、例題和習(xí)題，是初學(xué)量子計(jì)算和量子程序設(shè)計(jì)的理想教材，可作為高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的教材，也可供廣大從事量子信息科學(xué)研究的科技人員和學(xué)習(xí)量子程序設(shè)計(jì)的自學(xué)者參考。

量子程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 目錄

目錄




第1章概論1

1.1量子和量子力學(xué)1

1.1.1量子的概念1

1.1.2量子力學(xué)的產(chǎn)生3

1.2量子比特4

1.2.1經(jīng)典比特到量子比特4

1.2.2量子比特的重要概念7

1.2.3量子比特物理實(shí)現(xiàn)方式11

1.2.4經(jīng)典比特與量子比特的區(qū)別14

1.3量子計(jì)算14

1.3.1經(jīng)典計(jì)算到量子計(jì)算14

1.3.2經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算的區(qū)別15

1.3.3量子計(jì)算簡(jiǎn)史17

1.4量子程序與量子編程19

1.5典型量子程序開發(fā)平臺(tái)20

小結(jié)21

習(xí)題21

第2章量子比特與布洛赫球表示23

2.1量子比特的數(shù)學(xué)描述23

2.2量子比特幾何圖像24

2.3量子比特的布洛赫球表示26

2.3.1復(fù)平面單位圓26

2.3.2量子態(tài)的原始極坐標(biāo)表示26

2.3.3全局相位不變性27

2.3.4歸一化約束27

2.3.5半角處理28

2.4布洛赫球的性質(zhì)28

2.5量子測(cè)量31

2.5.1投影測(cè)量31

2.5.2正交基與量子態(tài)測(cè)量32

2.5.3計(jì)算基下測(cè)量的完備性34

2.6純態(tài)、混態(tài)及其密度矩陣37

2.7量子門與量子態(tài)變遷39

2.7.1酉變換與酉算符39

2.7.2單量子比特的狀態(tài)演化可視化40

小結(jié)42

習(xí)題43

〖3〗量子程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)目錄〖3〗第3章單量子比特門44

3.1單量子比特門OpenQASM語句44

3.2Pauli門45

3.2.1PauliX門45

3.2.2PauliY門46

3.2.3PauliZ門47

3.3Hadamard門47

3.4相位門49

3.4.1S門49

3.4.2T門50

3.4.3S門51

3.4.4T門51

3.4.5P門52

3.5旋轉(zhuǎn)門52

3.5.1RX門53

3.5.2RY門54

3.5.3RZ門55

3.6任意軸旋轉(zhuǎn)門Rn^(θ)57

小結(jié)57

習(xí)題58

第4章多量子比特門59

4.1多量子比特門OpenQASM語句59

4.2張量積60

4.2.1張量積的定義和性質(zhì)60

4.2.2線性算子的張量積61

4.3多量子比特狀態(tài)空間表示63

4.4受控非門64

4.5互換門68

4.6Toffoli門69

4.7Fredkin門70

4.8量子態(tài)演化71

小結(jié)76

習(xí)題76

第5章基于量子匯編指令的量子線路設(shè)計(jì)78

5.1量子匯編指令語言O(shè)penQASM78

5.1.1OpenQASM語言基本語句78

5.1.2OpenQASM量子線路編程實(shí)例80

5.1.3圖形化量子線路開發(fā)工具Quantum Composer81

5.2OpenQASM量子線路設(shè)計(jì)與調(diào)試82

5.2.1Bell態(tài)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)82

5.2.2OpenQASM自定義門的構(gòu)建83

5.2.3量子線路圖的輸入與編輯84

5.2.4量子線路的單步調(diào)試85

5.2.5結(jié)果實(shí)時(shí)可視化與分析86

5.2.6模擬器運(yùn)行89

5.2.7遠(yuǎn)程實(shí)體機(jī)運(yùn)行90

5.3量子邏輯門92

5.3.1經(jīng)典可逆AND門和量子AND門92

5.3.2經(jīng)典可逆OR門和量子OR門94

5.3.3量子AND和量子OR的位擴(kuò)展96

5.4量子加法器99

5.4.1經(jīng)典單比特加法器99

5.4.2量子全加器模型100

5.4.34位量子全加器的實(shí)現(xiàn)102

5.5量子相位反沖108

小結(jié)111

習(xí)題111

第6章基于Python的量子程序設(shè)計(jì)113

6.1IBM量子程序開發(fā)套件113

6.1.1Qiskit總體架構(gòu)113

6.1.2Qiskit的安裝114

6.2Qiskit量子程序代碼框架115

6.2.1量子線路的創(chuàng)建與繪制118

6.2.2編譯量子線路119

6.2.3量子線路在后端運(yùn)行119

6.2.4結(jié)果可視化與分析119

6.3模擬器運(yùn)行120

6.3.1Qasm Simulator120

6.3.2Statevector Simulator121

6.3.3Unitary Simulator123

6.4實(shí)體機(jī)運(yùn)行125

6.5量子態(tài)可視化127

6.5.1單量子比特布洛赫球表示可視化127

6.5.2多量子比特布洛赫球表示可視化128

6.6量子比特初態(tài)制備130

6.6.1單量子比特初態(tài)制備130

6.6.2多量子比特初態(tài)制備131

6.7量子比特態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)133

6.7.1量子比特態(tài)測(cè)量原理133

6.7.2量子比特態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)與實(shí)現(xiàn)136

小結(jié)139

習(xí)題139

第7章量子算法原理與實(shí)現(xiàn)141

7.1DeutschJozsa算法141

7.1.1算法描述141

7.1.2量子線路142

7.1.3編程實(shí)現(xiàn)145

7.1.4結(jié)果分析149

7.2Grover算法150

7.2.1算法描述150

7.2.2量子線路152

7.2.3編程實(shí)現(xiàn)155

7.2.4結(jié)果分析158

7.3量子傅里葉變換159

7.3.1原理描述159

7.3.2量子線路162

7.3.3編程實(shí)現(xiàn)166

7.3.4結(jié)果分析170

7.4量子相位估計(jì)171

7.4.1原理描述171

7.4.2量子線路172

7.4.3編程實(shí)現(xiàn)175

7.4.4結(jié)果分析178

7.5Shor算法179

7.5.1算法描述179

7.5.2量子線路182

7.5.3編程實(shí)現(xiàn)184

7.5.4結(jié)果分析189

7.6HHL算法190

7.6.1算法描述190

7.6.2量子線路191

7.6.3編程實(shí)現(xiàn)194

7.6.4結(jié)果分析195

小結(jié)196

習(xí)題196

參考文獻(xiàn)198


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