内容简介

本书系统介绍量子线路和量子程序设计的基础知识及原理方法，精选的内容与编程实例旨在帮助学生培养量子程序设计、调试和分析等方面的基本能力，从而为将来的学习、研究和应用奠定基础。

全书既注重原理，又注重实践，学生通过编程训练和实践能更准确地理解量子计算的基本概念和基础理论。本书概念讲解清楚，逻辑性强，通俗易懂，并配有大量图表、例题和习题，是初学量子计算和量子程序设计的理想教材，可作为高等学校相关专业本科生和研究生的教材，也可供广大从事量子信息科学研究的科技人员和学习量子程序设计的自学者参考。

编辑推荐

1.适应新工科人才培养的新需求，填补相关空白。

当前各国均在国家战略层面大力投入人才资金在争取量子霸权的制高点。目前量子领域的教材主要集中在量子物理、量子力学和量子信息角度来讲述，虽然这些领域的量子编程思想和目的不一样，但却具有很多共性的思想和理论。本书将从量子程序设计理论和方法的角度来阐述量子编程的原理和方法。目前市场上没有同类的教材。

2.阐述量子计算机体系架构背后的共性工作原理，重点解决量子程序为什么为何这么编、为何要这么测量等问题，降低量子程序编程入门门槛。

目前为数不多的若干教材在介绍量子算法设计，有二三本讲讲述特定平台上特定量子语言的编程技术。这些书均要求读者对量子技术、对应平台和语言有较深入的了解，入门门槛高。本书目的是帮助读者深入理解量子程序设计的编程框架和工作原理，降低入门门槛。

3.本书旨在通过量子程序设计和编程思想的教学，建立新的量子技术新思维。

当前量子计算机只有少数科研机构才有，但量子模拟器上可以让更广泛的学生来运行量子程序。量子科学当前是一门新兴的交叉学科，当前越来越多的人员从事量子计算、量子通讯、量子物理等相关专业的学习和研究，量子编程是大家都需面对的问题。

目录

第1章概论1

1.1量子和量子力学1

1.1.1量子的概念1

1.1.2量子力学的产生3

1.2量子比特4

1.2.1经典比特到量子比特4

1.2.2量子比特的重要概念7

1.2.3量子比特物理实现方式11

1.2.4经典比特与量子比特的区别14

1.3量子计算14

1.3.1经典计算到量子计算14

1.3.2经典计算和量子计算的区别15

1.3.3量子计算简史17

1.4量子程序与量子编程19

1.5典型量子程序开发平台20

小结21

习题21

第2章量子比特与布洛赫球表示23

2.1量子比特的数学描述23

2.2量子比特几何图像24

2.3量子比特的布洛赫球表示26

2.3.1复平面单位圆26

2.3.2量子态的原始极坐标表示26

2.3.3全局相位不变性27

2.3.4归一化约束27

2.3.5半角处理28

2.4布洛赫球的性质28

2.5量子测量31

2.5.1投影测量31

2.5.2正交基与量子态测量32

2.5.3计算基下测量的完备性34

2.6纯态、混态及其密度矩阵37

2.7量子门与量子态变迁39

2.7.1酉变换与酉算符39

2.7.2单量子比特的状态演化可视化40

小结42

习题43

第3章单量子比特门44

3.1单量子比特门OpenQASM语句44

3.2Pauli门45

3.2.1PauliX门45

3.2.2PauliY门46

3.2.3PauliZ门47

3.3Hadamard门47

3.4相位门49

3.4.1S门49

3.4.2T门50

3.4.3S门51

3.4.4T门51

3.4.5P门52

3.5旋转门52

3.5.1RX门53

3.5.2RY门54

3.5.3RZ门55

3.6任意轴旋转门Rn^(θ)57

小结57

习题58

第4章多量子比特门59

4.1多量子比特门OpenQASM语句59

4.2张量积60

4.2.1张量积的定义和性质60

4.2.2线性算子的张量积61

4.3多量子比特状态空间表示63

4.4受控非门64

4.5互换门68

4.6Toffoli门69

4.7Fredkin门70

4.8量子态演化71

小结76

习题76

第5章基于量子汇编指令的量子线路设计78

5.1量子汇编指令语言OpenQASM78

5.1.1OpenQASM语言基本语句78

5.1.2OpenQASM量子线路编程实例80

5.1.3图形化量子线路开发工具Quantum Composer81

5.2OpenQASM量子线路设计与调试82

5.2.1Bell态观测实验82

5.2.2OpenQASM自定义门的构建83

5.2.3量子线路图的输入与编辑84

5.2.4量子线路的单步调试85

5.2.5结果实时可视化与分析86

5.2.6模拟器运行89

5.2.7远程实体机运行90

5.3量子逻辑门92

5.3.1经典可逆AND门和量子AND门92

5.3.2经典可逆OR门和量子OR门94

5.3.3量子AND和量子OR的位扩展96

5.4量子加法器99

5.4.1经典单比特加法器99

5.4.2量子全加器模型100

5.4.34位量子全加器的实现102

5.5量子相位反冲108

小结111

习题111

第6章基于Python的量子程序设计113

6.1IBM量子程序开发套件113

6.1.1Qiskit总体架构113

6.1.2Qiskit的安装114

6.2Qiskit量子程序代码框架115

6.2.1量子线路的创建与绘制118

6.2.2编译量子线路119

6.2.3量子线路在后端运行119

6.2.4结果可视化与分析119

6.3模拟器运行120

6.3.1Qasm Simulator120

6.3.2Statevector Simulator121

6.3.3Unitary Simulator123

6.4实体机运行125

6.5量子态可视化127

6.5.1单量子比特布洛赫球表示可视化127

6.5.2多量子比特布洛赫球表示可视化128

6.6量子比特初态制备130

6.6.1单量子比特初态制备130

6.6.2多量子比特初态制备131

6.7量子比特态测量实验133

6.7.1量子比特态测量原理133

6.7.2量子比特态测量实验与实现136

小结139

习题139

第7章量子算法原理与实现141

7.1DeutschJozsa算法141

7.1.1算法描述141

7.1.2量子线路142

7.1.3编程实现145

7.1.4结果分析149

7.2Grover算法150

7.2.1算法描述150

7.2.2量子线路152

7.2.3编程实现155

7.2.4结果分析158

7.3量子傅里叶变换159

7.3.1原理描述159

7.3.2量子线路162

7.3.3编程实现166

7.3.4结果分析170

7.4量子相位估计171

7.4.1原理描述171

7.4.2量子线路172

7.4.3编程实现175

7.4.4结果分析178

7.5Shor算法179

7.5.1算法描述179

7.5.2量子线路182

7.5.3编程实现184

7.5.4结果分析189

7.6HHL算法190

7.6.1算法描述190

7.6.2量子线路191

7.6.3编程实现194

7.6.4结果分析195

小结196

习题196

参考文献198