圖解量子計(jì)算機(jī)

第 1章　量子計(jì)算機(jī)入門 1
1．1　量子計(jì)算機(jī)是什么 2
1．1．1　何為計(jì)算 2
1．1．2　計(jì)算機(jī)的極限 3
1．1．3　量子計(jì)算機(jī)是什么 4
1．1．4　量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī) 5
1．1．5　量子計(jì)算機(jī)的類型 6
1．1．6　量子計(jì)算模型的類型 8
1．2　量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ) 10
1．2．1　量子計(jì)算機(jī)的操作流程 10
1．2．2　量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)路線圖 11
1．2．3　從馮·諾依曼計(jì)算機(jī)到非馮·諾依曼計(jì)算機(jī) 13
1．2．4　非經(jīng)典計(jì)算機(jī) 14
1．2．5　非通用量子計(jì)算機(jī) 15
1．2．6　NISQ 16
1．2．7　通用量子計(jì)算機(jī) 17
1．3　量子計(jì)算機(jī)的未來(lái) 19
1．3．1　量子計(jì)算機(jī)的現(xiàn)狀 19
1．3．2　量子計(jì)算機(jī)的使用方法 20
1．3．3　展望未來(lái)的計(jì)算環(huán)境 21

第 2章　對(duì)量子計(jì)算機(jī)的展望 25
2．1　經(jīng)典計(jì)算機(jī)面臨的棘手問(wèn)題 26
2．1．1　可在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求解的問(wèn)題 26
2．1．2　在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)無(wú)法求解的問(wèn)題 27
2．2　量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)大顯身手 29
2．2．2　對(duì)效果的展望 29
2．3　量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)中的最小信息單位 38
3．1．2　量子比特是量子計(jì)算機(jī)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(cè)量量子比特 42
3．1．5　箭頭的投影與測(cè)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(jì)算和量子計(jì)算 47
3．2．3　量子力學(xué)的開端：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(cè)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(hào)（狄拉克符號(hào)） 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(jié) 60
第4章　量子門入門 63
4．1　量子門 64
4．1．1　經(jīng)典計(jì)算機(jī)：邏輯門 64
4．1．2　量子計(jì)算機(jī)：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(zhuǎn)門） 69
4．2．3　H門（哈達(dá)瑪門） 70
4．2．4　作用于兩個(gè)量子比特的CNOT門 71
4．2．5　由H門和CNOT門產(chǎn)生的量子糾纏態(tài) 72
4．2．6　測(cè)量（基于計(jì)算基態(tài)的測(cè)量） 73
4．2．7　量子糾纏態(tài)的性質(zhì) 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(guò)加法電路實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算 81
4．3．4　可逆計(jì)算 82
第5章　量子電路入門 85
5．1　量子隱形傳態(tài) 86
5．1．1　情景設(shè)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(jì)算的機(jī)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(jié)果的測(cè)量 94
5．2．4　 通過(guò)量子計(jì)算機(jī)提升計(jì)算速度：探測(cè)隱藏的周期性 96
5．2．5　量子糾纏態(tài) 98
5．2．6　小結(jié) 99
第6章　量子算法入門 103
6．1　量子算法的現(xiàn)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(jì)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(jì)算 114
6．4．2　VQE 115
6．5　以量子計(jì)算機(jī)為中心的整個(gè)系統(tǒng) 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(wěn)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(jì)算方法（步驟1：初始化） 139
7．4．3　量子退火的計(jì)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(jì)算機(jī)的實(shí)際情況 143
第8章　如何制備量子比特 147
8．1　量子計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 148
8．2　量子比特的實(shí)現(xiàn)方法 149
8．3　超導(dǎo)電路 152
8．3．1　使用超導(dǎo)電路實(shí)現(xiàn)量子比特 152
8．3．2　約瑟夫森結(jié) 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(quán) 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(xiàn)量子比特 156
8．4．2　使用超冷中性原子實(shí)現(xiàn)量子比特 157
8．5　半導(dǎo)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(xiàn)量子比特 163
8．7．1　使用光子進(jìn)行量子計(jì)算 163
8．7．2　使用連續(xù)變量的量子計(jì)算 164
8．8　拓?fù)涑瑢?dǎo)體 165
后記 170
參考文獻(xiàn) 171