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
出版時間： 2022年版
內容簡介
　　近年來，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注。本書運用豐富的圖例，從量子計算機的基本工作原理入手，系統地為初學人士呈現了量子計算機的全貌。內容涉及量子比特、量子門、量子電路和量子算法等。全書以圖配文，深入淺出，難度介于科普書和技術書之間，易讀性與專業性兼具，無須精通量子力學和數學也能讀懂，是一本量子計算機的入門佳作，旨在引導讀者邁入量子計算機世界的大門，為日后閱讀各種專業圖書鋪平道路。本書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 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　量子計算機與經典計算機 5
1．1．5　量子計算機的類型 6
1．1．6　量子計算模型的類型 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　量子計算機的研發路線圖 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　非經典計算機 14
1．2．5　非通用量子計算機 15
1．2．6　NISQ 16
1．2．7　通用量子計算機 17
1．3　量子計算機的未來 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　展望未來的計算環境 21

第 2章　對量子計算機的展望 25
2．1　經典計算機面臨的棘手問題 26
2．1．1　可在多項式時間內求解的問題 26
2．1．2　在多項式時間內無法求解的問題 27
2．2　量子計算機可以大顯身手的問題 29
2．2．1　哪些問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　經典比特和量子比特 38
3．1．1　經典比特是經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　量子力學和量子比特 46
3．2．1　經典物理學和量子力學 46
3．2．2　經典計算和量子計算 47
3．2．3　量子力學的開端：電子和光 47
3．2．4　波動性和粒子性 49
3．2．5　量子比特的波動性和粒子性 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　表示量子態的符號（狄拉克符號） 54
3．3．2　表示量子態的圖形（布洛赫球） 55
3．3．3　使用波表示量子比特 56
3．3．4　多個量子比特的表示方法 58
3．3．5　小結 60
第4章　量子門入門 63
4．1　量子門 64
4．1．1　經典計算機：邏輯門 64
4．1．2　量子計算機：量子門 65
4．1．3　單量子比特門 65
4．1．4　多量子比特門 66
4．2　量子門的功能 68
4．2．1　X門（泡利-X門） 68
4．2．2　Z門（相位翻轉門） 69
4．2．3　H門（哈達瑪門） 70
4．2．4　作用于兩個量子比特的CNOT門 71
4．2．5　由H門和CNOT門產生的量子糾纏態 72
4．2．6　測量（基于計算基態的測量） 73
4．2．7　量子糾纏態的性質 75
4．3　量子門的組合 79
4．3．1　SWAP電路 79
4．3．2　加法電路 80
4．3．3　通過加法電路實現并行計算 81
4．3．4　可逆計算 82
第5章　量子電路入門 85
5．1　量子隱形傳態 86
5．1．1　情景設定 86
5．1．2　兩個量子比特的量子糾纏態 86
5．1．3　量子隱形傳態 88
5．1．4　使用量子電路表示量子隱形傳態 89
5．1．5　量子隱形傳態的特點 90
5．2　高速計算的機制 92
5．2．1　波的干涉 92
5．2．2　同時保留所有狀態：疊加態 93
5．2．3　概率振幅的放大和結果的測量 94
5．2．4　 通過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 98
5．2．6　小結 99
第6章　量子算法入門 103
6．1　量子算法的現狀 104
6．2　Grover算法 105
6．2．1　概述 105
6．2．2　量子電路 106
6．3　Shor算法 110
6．3．1　概述 110
6．3．2　計算方法 112
6．4　量子經典混合算法 114
6．4．1　量子化學計算 114
6．4．2　VQE 115
6．5　以量子計算機為中心的整個系統 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　尋找伊辛模型基態過程中的問題 128
7．2　組合優化問題與量子退火 129
7．2．1　什么是組合優化問題 129
7．2．2　用于求解組合優化問題的伊辛模型 130
7．2．3　組合優化問題的框架 130
7．2．4　組合優化問題的解法 131
7．3　模擬退火 133
7．3．1　尋找伊辛模型的基態 133
7．3．2　能量景貌 134
7．3．3　梯度下降法和局部最優解 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　量子比特的實現方法 149
8．3　超導電路 152
8．3．1　使用超導電路實現量子比特 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NISQ證實量子霸權 155
8．4　囚禁離子和超冷原子 156
8．4．1　使用囚禁離子實現量子比特 156
8．4．2　使用超冷中性原子實現量子比特 157
8．5　半導體量子點 160
8．6　金剛石氮空位中心 161
8．7　使用光實現量子比特 163
8．7．1　使用光子進行量子計算 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