圖解量子計算機 2022年版 [日]宇津木健

圖解量子計算機 作者：[日]宇津木健 出版時(shí)間： 2022年版 內容簡(jiǎn)介 近年來(lái)，作為突破計算機極限的希望所在，量子計算機受到了人們的廣泛關(guān)注。本書(shū)運用豐富的圖例，從量子計算機的基本工作原理入手，系統地為初學(xué)人士呈現了量子計算機的全貌。內容涉及量子比特、量子門(mén)、量子電路和量子算法等。全書(shū)以圖配文，深入淺出，難度介于科普書(shū)和技術(shù)書(shū)之間，易讀性與專(zhuān)業(yè)性兼具，無(wú)須精通量子力學(xué)和數學(xué)也能讀懂，是一本量子計算機的入門(mén)佳作，旨在引導讀者邁入量子計算機世界的大門(mén)，為日后閱讀各種專(zhuān)業(yè)圖書(shū)鋪平道路。本書(shū)適合對量子計算機感興趣，想要從整體上了解量子計算機，或今后想從事量子計算機研發(fā)工作，但又不知從何處入手的讀者閱讀。 目錄 第 1章量子計算機入門(mén) 1 1．1量子計算機是什么 2 1．1．1何為計算 2 1．1．2計算機的極限 3 1．1．3量子計算機是什么 4 1．1．4量子計算機與經(jīng)典計算機 5 1．1．5量子計算機的類(lèi)型 6 1．1．6量子計算模型的類(lèi)型 8 1．2量子計算機的基礎 10 1．2．1量子計算機的操作流程 10 1．2．2量子計算機的研發(fā)路線(xiàn)圖 11 1．2．3從馮·諾依曼計算機到非馮·諾依曼計算機 13 1．2．4非經(jīng)典計算機 14 1．2．5非通用量子計算機 15 1．2．6NISQ 16 1．2．7通用量子計算機 17 1．3量子計算機的未來(lái) 19 1．3．1量子計算機的現狀 19 1．3．2量子計算機的使用方法 20 1．3．3展望未來(lái)的計算環(huán)境 21 第 2章對量子計算機的展望 25 2．1經(jīng)典計算機面臨的棘手問(wèn)題 26 2．1．1可在多項式時(shí)間內求解的問(wèn)題 26 2．1．2在多項式時(shí)間內無(wú)法求解的問(wèn)題 27 2．2量子計算機可以大顯身手的問(wèn)題 29 2．2．1哪些問(wèn)題可以讓量子計算機大顯身手 29 2．2．2對效果的展望 29 2．3量子計算機備受矚目的背景 33 第3章量子比特 37 3．1經(jīng)典比特和量子比特 38 3．1．1經(jīng)典比特是經(jīng)典計算機中的最小信息單位 38 3．1．2量子比特是量子計算機中的最小信息單位 40 3．1．3疊加態(tài)的表示方法 40 3．1．4測量量子比特 42 3．1．5箭頭的投影與測量概率 43 3．2量子力學(xué)和量子比特 46 3．2．1經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué) 46 3．2．2經(jīng)典計算和量子計算 47 3．2．3量子力學(xué)的開(kāi)端：電子和光 47 3．2．4波動(dòng)性和粒子性 49 3．2．5量子比特的波動(dòng)性和粒子性 51 3．2．6量子比特的測量概率 52 3．3如何表示量子比特 54 3．3．1表示量子態(tài)的符號（狄拉克符號） 54 3．3．2表示量子態(tài)的圖形（布洛赫球） 55 3．3．3使用波表示量子比特 56 3．3．4多個(gè)量子比特的表示方法 58 3．3．5小結 60 第4章量子門(mén)入門(mén) 63 4．1量子門(mén) 64 4．1．1經(jīng)典計算機：邏輯門(mén) 64 4．1．2量子計算機：量子門(mén) 65 4．1．3單量子比特門(mén) 65 4．1．4多量子比特門(mén) 66 4．2量子門(mén)的功能 68 4．2．1X門(mén)（泡利-X門(mén)） 68 4．2．2Z門(mén)（相位翻轉門(mén)） 69 4．2．3H門(mén)（哈達瑪門(mén)） 70 4．2．4作用于兩個(gè)量子比特的CNOT門(mén) 71 4．2．5由H門(mén)和CNOT門(mén)產(chǎn)生的量子糾纏態(tài) 72 4．2．6測量（基于計算基態(tài)的測量） 73 4．2．7量子糾纏態(tài)的性質(zhì) 75 4．3量子門(mén)的組合 79 4．3．1SWAP電路 79 4．3．2加法電路 80 4．3．3通過(guò)加法電路實(shí)現并行計算 81 4．3．4可逆計算 82 第5章量子電路入門(mén) 85 5．1量子隱形傳態(tài) 86 5．1．1情景設定 86 5．1．2兩個(gè)量子比特的量子糾纏態(tài) 86 5．1．3量子隱形傳態(tài) 88 5．1．4使用量子電路表示量子隱形傳態(tài) 89 5．1．5量子隱形傳態(tài)的特點(diǎn) 90 5．2高速計算的機制 92 5．2．1波的干涉 92 5．2．2同時(shí)保留所有狀態(tài)：疊加態(tài) 93 5．2．3概率振幅的放大和結果的測量 94 5．2．4 通過(guò)量子計算機提升計算速度：探測隱藏的周期性 96 5．2．5量子糾纏態(tài) 98 5．2．6小結 99 第6章量子算法入門(mén) 103 6．1量子算法的現狀 104 6．2Grover算法 105 6．2．1概述 105 6．2．2量子電路 106 6．3Shor算法 110 6．3．1概述 110 6．3．2計算方法 112 6．4量子經(jīng)典混合算法 114 6．4．1量子化學(xué)計算 114 6．4．2VQE 115 6．5以量子計算機為中心的整個(gè)系統 117 第7章量子退火 123 7．1伊辛模型 124 7．1．1自旋和量子比特 124 7．1．2伊辛模型中的相互作用 125 7．1．3不穩定狀態(tài)和阻挫 126 7．1．4伊辛模型的能量 127 7．1．5尋找伊辛模型基態(tài)過(guò)程中的問(wèn)題 128 7．2組合優(yōu)化問(wèn)題與量子退火 129 7．2．1什么是組合優(yōu)化問(wèn)題 129 7．2．2用于求解組合優(yōu)化問(wèn)題的伊辛模型 130 7．2．3組合優(yōu)化問(wèn)題的框架 130 7．2．4組合優(yōu)化問(wèn)題的解法 131 7．3模擬退火 133 7．3．1尋找伊辛模型的基態(tài) 133 7．3．2能量景貌 134 7．3．3梯度下降法和局部最優(yōu)解 135 7．3．4模擬退火算法 136 7．4什么是量子退火 138 7．4．1量子退火的定位 138 7．4．2量子退火的計算方法（步驟1：初始化） 139 7．4．3量子退火的計算方法（步驟2：退火操作） 140 7．4．4穿越能量壁壘 141 7．4．5量子退火的速度是模擬退火速度的1億倍嗎 142 7．4．6量子退火計算機的實(shí)際情況 143 第8章如何制備量子比特 147 8．1量子計算機的性能指標 148 8．2量子比特的實(shí)現方法 149 8．3超導電路 152 8．3．1使用超導電路實(shí)現量子比特 152 8．3．2約瑟夫森結 152 8．3．3傳輸子和磁通量子比特 153 8．3．4通過(guò)NISQ證實(shí)量子霸權 155 8．4囚禁離子和超冷原子 156 8．4．1使用囚禁離子實(shí)現量子比特 156 8．4．2使用超冷中性原子實(shí)現量子比特 157 8．5半導體量子點(diǎn) 160 8．6金剛石氮空位中心 161 8．7使用光實(shí)現量子比特 163 8．7．1使用光子進(jìn)行量子計算 163 8．7．2使用連續變量的量子計算 164 8．8拓撲超導體 165 后記 170 參考文獻 171