图解量子计算机 2022年版 [日]宇津木健

图解量子计算机 作者：[日]宇津木健 出版时间： 2022年版 内容简介 近年来，作为突破计算机极限的希望所在，量子计算机受到了人们的广泛关注。本书运用丰富的图例，从量子计算机的基本工作原理入手，系统地为初学人士呈现了量子计算机的全貌。内容涉及量子比特、量子门、量子电路和量子算法等。全书以图配文，深入浅出，难度介于科普书和技术书之间，易读性与专业性兼具，无须精通量子力学和数学也能读懂，是一本量子计算机的入门佳作，旨在引导读者迈入量子计算机世界的大门，为日后阅读各种专业图书铺平道路。本书适合对量子计算机感兴趣，想要从整体上了解量子计算机，或今后想从事量子计算机研发工作，但又不知从何处入手的读者阅读。 目录 第 1章量子计算机入门 1 1．1量子计算机是什么 2 1．1．1何为计算 2 1．1．2计算机的极限 3 1．1．3量子计算机是什么 4 1．1．4量子计算机与经典计算机 5 1．1．5量子计算机的类型 6 1．1．6量子计算模型的类型 8 1．2量子计算机的基础 10 1．2．1量子计算机的操作流程 10 1．2．2量子计算机的研发路线图 11 1．2．3从冯·诺依曼计算机到非冯·诺依曼计算机 13 1．2．4非经典计算机 14 1．2．5非通用量子计算机 15 1．2．6NISQ 16 1．2．7通用量子计算机 17 1．3量子计算机的未来 19 1．3．1量子计算机的现状 19 1．3．2量子计算机的使用方法 20 1．3．3展望未来的计算环境 21 第 2章对量子计算机的展望 25 2．1经典计算机面临的棘手问题 26 2．1．1可在多项式时间内求解的问题 26 2．1．2在多项式时间内无法求解的问题 27 2．2量子计算机可以大显身手的问题 29 2．2．1哪些问题可以让量子计算机大显身手 29 2．2．2对效果的展望 29 2．3量子计算机备受瞩目的背景 33 第3章量子比特 37 3．1经典比特和量子比特 38 3．1．1经典比特是经典计算机中的最小信息单位 38 3．1．2量子比特是量子计算机中的最小信息单位 40 3．1．3叠加态的表示方法 40 3．1．4测量量子比特 42 3．1．5箭头的投影与测量概率 43 3．2量子力学和量子比特 46 3．2．1经典物理学和量子力学 46 3．2．2经典计算和量子计算 47 3．2．3量子力学的开端：电子和光 47 3．2．4波动性和粒子性 49 3．2．5量子比特的波动性和粒子性 51 3．2．6量子比特的测量概率 52 3．3如何表示量子比特 54 3．3．1表示量子态的符号（狄拉克符号） 54 3．3．2表示量子态的图形（布洛赫球） 55 3．3．3使用波表示量子比特 56 3．3．4多个量子比特的表示方法 58 3．3．5小结 60 第4章量子门入门 63 4．1量子门 64 4．1．1经典计算机：逻辑门 64 4．1．2量子计算机：量子门 65 4．1．3单量子比特门 65 4．1．4多量子比特门 66 4．2量子门的功能 68 4．2．1X门（泡利-X门） 68 4．2．2Z门（相位翻转门） 69 4．2．3H门（哈达玛门） 70 4．2．4作用于两个量子比特的CNOT门 71 4．2．5由H门和CNOT门产生的量子纠缠态 72 4．2．6测量（基于计算基态的测量） 73 4．2．7量子纠缠态的性质 75 4．3量子门的组合 79 4．3．1SWAP电路 79 4．3．2加法电路 80 4．3．3通过加法电路实现并行计算 81 4．3．4可逆计算 82 第5章量子电路入门 85 5．1量子隐形传态 86 5．1．1情景设定 86 5．1．2两个量子比特的量子纠缠态 86 5．1．3量子隐形传态 88 5．1．4使用量子电路表示量子隐形传态 89 5．1．5量子隐形传态的特点 90 5．2高速计算的机制 92 5．2．1波的干涉 92 5．2．2同时保留所有状态：叠加态 93 5．2．3概率振幅的放大和结果的测量 94 5．2．4 通过量子计算机提升计算速度：探测隐藏的周期性 96 5．2．5量子纠缠态 98 5．2．6小结 99 第6章量子算法入门 103 6．1量子算法的现状 104 6．2Grover算法 105 6．2．1概述 105 6．2．2量子电路 106 6．3Shor算法 110 6．3．1概述 110 6．3．2计算方法 112 6．4量子经典混合算法 114 6．4．1量子化学计算 114 6．4．2VQE 115 6．5以量子计算机为中心的整个系统 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不稳定状态和阻挫 126 7．1．4伊辛模型的能量 127 7．1．5寻找伊辛模型基态过程中的问题 128 7．2组合优化问题与量子退火 129 7．2．1什么是组合优化问题 129 7．2．2用于求解组合优化问题的伊辛模型 130 7．2．3组合优化问题的框架 130 7．2．4组合优化问题的解法 131 7．3模拟退火 133 7．3．1寻找伊辛模型的基态 133 7．3．2能量景貌 134 7．3．3梯度下降法和局部最优解 135 7．3．4模拟退火算法 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量子退火的计算方法（步骤1：初始化） 139 7．4．3量子退火的计算方法（步骤2：退火操作） 140 7．4．4穿越能量壁垒 141 7．4．5量子退火的速度是模拟退火速度的1亿倍吗 142 7．4．6量子退火计算机的实际情况 143 第8章如何制备量子比特 147 8．1量子计算机的性能指标 148 8．2量子比特的实现方法 149 8．3超导电路 152 8．3．1使用超导电路实现量子比特 152 8．3．2约瑟夫森结 152 8．3．3传输子和磁通量子比特 153 8．3．4通过NISQ证实量子霸权 155 8．4囚禁离子和超冷原子 156 8．4．1使用囚禁离子实现量子比特 156 8．4．2使用超冷中性原子实现量子比特 157 8．5半导体量子点 160 8．6金刚石氮空位中心 161 8．7使用光实现量子比特 163 8．7．1使用光子进行量子计算 163 8．7．2使用连续变量的量子计算 164 8．8拓扑超导体 165 后记 170 参考文献 171