圖解量子計算機 作者：[日]宇津木健 出版時間： 2022年版 內(nèi)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(guān)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(tǒng)地為初學(xué)人士呈現(xiàn)了量子計算機的全貌。內(nèi)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(shù)書之間，易讀性與專業(yè)性兼具，無須精通量子力學(xué)和數(shù)學(xué)也能讀懂，是一本量子計算機的入門佳作，旨在引導(dǎo)讀者邁入量子計算機世界的大門，為日后閱讀各種專業(yè)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(fā)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(jīng)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(chǔ) 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(fā)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(jīng)典計算機 14 1．2．5非通用量子計算機 15 1．2．6NISQ 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(xiàn)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(huán)境 21 第 2章對量子計算機的展望 25 2．1經(jīng)典計算機面臨的棘手問題 26 2．1．1可在多項式時間內(nèi)求解的問題 26 2．1．2在多項式時間內(nèi)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(jīng)典比特和量子比特 38 3．1．1經(jīng)典比特是經(jīng)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(tài)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(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)典計算和量子計算 47 3．2．3量子力學(xué)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(tài)的符號（狄拉克符號） 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 4．2．1X門（泡利-X門） 68 4．2．2Z門（相位翻轉(zhuǎn)門） 69 4．2．3H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(chǎn)生的量子糾纏態(tài) 72 4．2．6測量（基于計算基態(tài)的測量） 73 4．2．7量子糾纏態(tài)的性質(zhì) 75 4．3量子門的組合 79 4．3．1SWAP電路 79 4．3．2加法電路 80 4．3．3通過加法電路實現(xiàn)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(tài) 86 5．1．1情景設(shè)定 86 5．1．2兩個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 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(tài)：疊加態(tài) 93 5．2．3概率振幅的放大和結(jié)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(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 6．2Grover算法 105 6．2．1概述 105 6．2．2量子電路 106 6．3Shor算法 110 6．3．1概述 110 6．3．2計算方法 112 6．4量子經(jīng)典混合算法 114 6．4．1量子化學(xué)計算 114 6．4．2VQE 115 6．5以量子計算機為中心的整個系統(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)過程中的問題 128 7．2組合優(yōu)化問題與量子退火 129 7．2．1什么是組合優(yōu)化問題 129 7．2．2用于求解組合優(yōu)化問題的伊辛模型 130 7．2．3組合優(yōu)化問題的框架 130 7．2．4組合優(yōu)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(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(biāo) 148 8．2量子比特的實現(xiàn)方法 149 8．3超導(dǎo)電路 152 8．3．1使用超導(dǎo)電路實現(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NISQ證實量子霸權(quán) 155 8．4囚禁離子和超冷原子 156 8．4．1使用囚禁離子實現(xiàn)量子比特 156 8．4．2使用超冷中性原子實現(xiàn)量子比特 157 8．5半導(dǎo)體量子點 160 8．6金剛石氮空位中心 161 8．7使用光實現(xiàn)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(xù)變量的量子計算 164 8．8拓?fù)涑瑢?dǎo)體 165 后記 170 參考文獻 171