量子計算機編程從入門到實踐

《量子計算機編程從入門到實踐》是2021年人民郵電出版社出版的圖書。

基本介紹

• 中文名：量子計算機編程從入門到實踐
• 出版時間：2021年7月1日
• 出版社：人民郵電出版社
• ISBN：9787115566355

內容簡介

量子計算被譽為下一代編程範式。隨著一些量子計算平台和模擬器向公眾開放，普通程式設計師也可以嘗試編寫量子計算程式，感受前沿科技的無窮魅力。《量子計算機編程：從入門到實踐》不會解釋晦澀的量子力學理論，而會採用直觀的圓形表示法描繪量子比特，並從實踐角度展示如何編寫有趣的量子計算程式。通過《量子計算機編程：從入門到實踐》提供的線上實驗室網站，你可以動手運行書中的JavaScript示例代碼。全書分為四大部分，分別介紹量子計算機編程的核心概念、原語、套用和發展趨勢。你將了解量子隱形傳態、量子算術運算、量子傅立葉變換和量子相位估計等知識，以及量子搜尋、量子超採樣、量子機器學習等高級主題。

圖書目錄

譯者序 xi

前言 xiii

第 1章　入門 1

1．1　所需背景 1

1．2　何謂QPU 2

1．3　動手實踐 3

1．4　原生QPU指令 6

1．4．1　模擬器的上限 7

1．4．2　硬體的上限 7

1．5　QPU與GPU的共同點 8

第 2章　單個量子比特 11

2．1　物理量子比特概覽 12

2．2　圓形表示法 15

2．2．1　圓的大小 15

2．2．2　圓的旋轉 16

2．3　第 一批QPU指令 17

2．3．1　QPU指令：NOT 17

2．3．2　QPU指令：HAD 18

2．3．3　QPU 指令：READ和WRITE 19

2．3．4　實踐：完全隨機的比特 20

2．3．5　QPU 指令：PHASE(θ) 23

2．3．6　QPU 指令：ROTX(θ) 和ROTY(θ) 23

2．4　複製：缺失的指令 24

2．5　組合QPU 指令 24

2．6　實踐：量子監聽檢測 27

2．7　小結 30

第3章　多個量子比特 31

3．1　多量子比特暫存器的圓形表示法 31

3．2　繪製多量子比特暫存器 34

3．3　多量子比特暫存器中的單量子比特運算 34

3．4　可視化更多數量的量子比特 37

3．5　QPU 指令：CNOT 38

3．6　實踐：利用貝爾對實現共享隨機性 41

3．7　QPU 指令：CPHASE(θ) 和CZ 42

3．8　QPU 指令：CCNOT 45

3．9　QPU 指令：SWAP 和CSWAP 46

3．10　構造任意的條件運算 50

3．11　實踐：遠程控制隨機 53

3．12　小結 55

第4章　量子隱形傳態 56

4．1　動手嘗試 56

4．2　程式步驟 61

4．2．1　步驟1：創建糾纏對 61

4．2．2　步驟2：準備有效載荷 62

4．2．3　步驟3．1：將有效載荷連結到糾纏對 62

4．2．4　步驟3．2：將有效載荷置於疊加態 63

4．2．5　步驟3．3：讀取Alice 的兩個量子比特 64

4．2．6　步驟4：接收和轉換 64

4．2．7　步驟5：驗證結果 65

4．3　解釋結果 66

4．4　如何利用隱形傳態 67

4．5　著名的隱形傳態事故帶來的樂趣 67

第5章　量子算術與邏輯 71

5．1　奇怪的不同 71

5．2　QPU 中的算術運算 73

5．3　兩個量子整數相加 76

5．4　負整數 77

5．5　實踐：更複雜的數學運算 78

5．6　更多量子運算 79

5．6．1　量子條件執行 79

5．6．2　相位編碼結果 80

5．7　可逆性和臨時量子比特 82

5．8　反計算 84

5．9　QPU 中的邏輯運算 86

5．10　小結 88

第6章　振幅放大 89

6．1　實踐：在相位和強度之間相互轉換 89

6．2　振幅放大疊代 92

6．3　更多疊代？ 93

6．4　多個標記值 95

6．5　使用振幅放大 100

6．5．1　作為和估計的AA 與QFT 100

6．5．2　用AA 加速傳統算法 100

6．6　QPU 內部 101

6．7　小結 103

第7章　量子傅立葉變換 104

7．1　隱藏模式 104

7．2　QFT、DFT 和FFT 106

7．3　QPU 暫存器中的頻率 106

7．4　DFT 110

7．4．1　實數DFT 輸入與複數DFT 輸入 111

7．4．2　DFT 一切 113

7．5　使用QFT 117

7．6　QPU 內部 122

7．6．1　直觀理解 124

7．6．2　逐步運算 124

7．7　小結 128

第8章　量子相位估計 129

8．1　了解QPU 運算 129

8．2　本徵相位揭示有用信息 130

8．3　相位估計的作用 131

8．4　如何使用相位估計 132

8．4．1　輸入 132

8．4．2　輸出 134

8．5　使用細節 135

8．5．1　選擇輸出暫存器的大小 135

8．5．2　複雜度 136

8．5．3　條件運算 136

8．6　實踐中的相位估計 136

8．7　QPU 內部 137

8．7．1　直觀理解 138

8．7．2　逐步運算 139

8．8　小結 141

第9章　真實的數據 145

9．1　非整型數據 146

9．2　QRAM 147

9．3　向量的編碼 150

9．3．1　振幅編碼的局限性 153

9．3．2　振幅編碼和圓形表示法 154

9．4　矩陣的編碼 155

9．4．1　QPU運算如何表示矩陣 155

9．4．2　量子模擬 156

第 10章　量子搜尋 160

10．1　相位邏輯 161

10．1．1　構建基本的相位邏輯運算 163

10．1．2　構建複雜的相位邏輯語句 163

10．2　解決邏輯謎題 166

10．3　求解布爾可滿足性問題的一般方法 170

10．3．1　實踐：一個可滿足的3-SAT問題 170

10．3．2　實踐：一個不可滿足的3-SAT 問題 173

10．4　加速傳統算法 175

第 11章　量子超採樣 177

11．1　QPU 能為計算機圖形學做什麼 177

11．2　傳統超採樣 178

11．3　實踐：計算相位編碼圖像 179

11．3．1　QPU 像素著色器 180

11．3．2　使用PHASE 畫圖 181

11．3．3　繪製曲線 184

11．4　採樣相位編碼圖像 185

11．5　更有趣的圖像 187

11．6　超採樣 188

11．7　量子超採樣與蒙特卡羅採樣 190

11．8　增加顏色 195

11．9　小結 196

第 12章　舒爾分解算法 197

12．1　實踐：在QPU上套用舒爾分解算法 198

12．2　算法說明 199

12．2．1　我們需要QPU嗎 200

12．2．2　量子方法 201

12．3　逐步操作：分解數字15 203

12．3．1　步驟1：初始化QPU暫存器 204

12．3．2　步驟2：擴展為量子疊加態 205

12．3．3　步驟3：條件乘2 207

12．3．4　步驟4：條件乘4 209

12．3．5　步驟5：QFT 211

12．3．6　步驟6：讀取量子結果 213

12．3．7　步驟7：數字邏輯 214

12．3．8　步驟8：檢查結果 216

12．4　使用細節 216

12．4．1　求模 216

12．4．2　時間與空間 217

12．4．3　除了2 以外的互質 217

第 13章　量子機器學習 218

13．1　求解線性方程組 219

13．1．1　線性方程組的描述與求解 219

13．1．2　用QPU 解線性方程組 220

13．2　量子主成分分析 228

13．2．1　傳統主成分分析 228

13．2．2　用QPU 進行主成分分析 230

13．3　量子支持向量機 233

13．3．1　傳統支持向量機 233

13．3．2　用QPU實現支持向量機 236

13．4　其他機器學習套用 238

第 14章　保持領先：文獻指引 243

14．1　從圓形表示法到復向量 243

14．2　與術語有關的一些細節和注意事項 245

14．3　測量基 246

14．4　門的分解與編譯 247

14．5　隱形傳態門 248

14．6　QPU 名人堂 248

14．7　競賽：量子計算機與傳統計算機 249

14．8　基於oracle 的算法研究 249

14．8．1　Deutsch-Jozsa 算法 250

14．8．2　Bernstein-Vazirani算法 250

14．8．3　Simon算法 250

14．9　量子程式語言 251

14．10　量子模擬的前景 252

14．11　糾錯與NISQ設備 252

14．12　進一步學習 252

14．12．1　出版物 253

14．12．2　課程講義 253

14．12．3　線上資源 253

關於作者 254

關於封面 254