量子程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

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(kāi)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(mén)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(mén)44
3.1單量子比特門(mén)OpenQASM語(yǔ)句44
3.2Pauli門(mén)45
3.2.1PauliX門(mén)45
3.2.2PauliY門(mén)46
3.2.3PauliZ門(mén)47
3.3Hadamard門(mén)47
3.4相位門(mén)49
3.4.1S門(mén)49
3.4.2T門(mén)50
3.4.3S門(mén)51
3.4.4T門(mén)51
3.4.5P門(mén)52
3.5旋轉(zhuǎn)門(mén)52
3.5.1RX門(mén)53
3.5.2RY門(mén)54
3.5.3RZ門(mén)55
3.6任意軸旋轉(zhuǎn)門(mén)Rn^(θ)57
小結(jié)57
習(xí)題58
第4章多量子比特門(mén)59
4.1多量子比特門(mén)OpenQASM語(yǔ)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(mén)64
4.5互換門(mén)68
4.6Toffoli門(mén)69
4.7Fredkin門(mén)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(yǔ)言O(shè)penQASM78
5.1.1OpenQASM語(yǔ)言基本語(yǔ)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(kāi)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(mén)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(mén)92
5.3.1經(jīng)典可逆AND門(mén)和量子AND門(mén)92
5.3.2經(jīng)典可逆OR門(mén)和量子OR門(mén)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(kāi)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