斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授Patrick Hayden，加州大學(xué)洛杉磯分校計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Jens Palsberg，康奈爾大學(xué)物理學(xué)教授Paul Ginsparg，尤里奇超級(jí)計(jì)算中心Dennis Willsch等專(zhuān)家們都推薦的一本量子計(jì)算課程教材：《量子計(jì)算：一種應(yīng)用方法》。

在本書(shū)中，我們將探討量子計(jì)算——一個(gè)新興的平臺(tái)，它與我們當(dāng)前利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行計(jì)算的方式有著本質(zhì)的不同。可以肯定的是，我們距離大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)還差很多年。 然而我們現(xiàn)在知道這樣的系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。隨著工程上的進(jìn)步，我們將會(huì)看到量子計(jì)算的真正的影響。

量子計(jì)算是量子信息科學(xué)（QIS）領(lǐng)域的一部分。QIS 的三個(gè)分支——計(jì)算、通信和傳 感，都在高速發(fā)展。一個(gè)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)會(huì)刺激另一個(gè)領(lǐng)域取得進(jìn)展。量子通信利用了量子系統(tǒng)不尋常的特性來(lái)傳輸信息，達(dá)到竊聽(tīng)者無(wú)法竊取任何信息的目的。量子計(jì)算的發(fā)展驅(qū)使我們進(jìn)入后量子密碼時(shí)代。我們將在第 7 章中討論量子隱形傳態(tài)和超密編碼，它們都是特 定的量子協(xié)議。

量子傳感是個(gè)廣泛的研究領(lǐng)域，它研究如何使用量子設(shè)備感應(yīng)磁場(chǎng)和其他物理場(chǎng)，以 超越經(jīng)典力學(xué)的極限。例如，目前有一類(lèi)新興的傳感器用于檢測(cè)位置、導(dǎo)航和原子級(jí)別的定時(shí)（PNT）。這些微型 PNT 設(shè)備可以在 GPS 阻塞或不可用時(shí)，提供高度精確的定位數(shù)據(jù)。

在這本書(shū)中，我們將專(zhuān)注于量子計(jì)算。量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算的關(guān)鍵差別在于量子計(jì)算 過(guò)程是在操縱量子態(tài)本身，這給了我們比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要大得多的計(jì)算空間。在經(jīng)典計(jì)算機(jī) 中， 如果我們希望對(duì)真實(shí)世界的量子物理系統(tǒng)進(jìn)行建模， 那么我們只能對(duì)這種系統(tǒng)的表示 來(lái)進(jìn)行建模，而不操作這個(gè)系統(tǒng)自身。

量子計(jì)算：一種應(yīng)用方法

[美] 杰克·希德里（Jack D.Hidary） 著，姚鵬暉，欽明瓏，汪昌盛，趙銘南 譯

量子計(jì)算：一種應(yīng)用方法

量子計(jì)算自然科學(xué)書(shū)籍

量子理論與量子物理科研

計(jì)算機(jī)科學(xué)量子算法思維方式

國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)大咖、產(chǎn)業(yè)界嘉賓力薦

全彩印刷，帶你輕松踏入量子算法和量子應(yīng)用的大門(mén)！

在本書(shū)中，我們將探討量子計(jì)算機(jī)與人類(lèi)歷史上的其他計(jì)算機(jī)都不一樣。本書(shū)的獨(dú)特 之處在于我們將不僅介紹理論，還介紹現(xiàn)實(shí)中如何建造這樣的計(jì)算機(jī)，如何為這些系統(tǒng)編 寫(xiě)應(yīng)用程序?，F(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)有幾個(gè)基于云的量子系統(tǒng)的可編程開(kāi)發(fā)庫(kù)。本書(shū)將逐步講解代 碼示例，并展示給讀者如何建立由一組算子組成的量子電路來(lái)解決特定的問(wèn)題。本書(shū)將主 要使用Python 語(yǔ)言。

本書(shū)包含了三個(gè)部分。

第一部分介紹了必要的框架來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)和電路的設(shè)計(jì)。這部分還將探索在“復(fù) 雜性類(lèi)”中的哪些問(wèn)題可能適合利用量子計(jì)算。

本書(shū)第二部分適用于希望深入研究在這類(lèi)新機(jī)器上如何編程的讀者。如果你已經(jīng)有量 子力學(xué)、量子信息論和理論計(jì)算機(jī)科學(xué)的背景，你可以直接跳到第二部分并研究代碼。請(qǐng) 參閱隨后的“使用指南”。

在第三部分中， 我們提供了一組關(guān)鍵工具給想要精通量子計(jì)算（QC） 的讀者。我們介 紹線性代數(shù)的核心概念，并將它們與量子計(jì)算聯(lián)系起來(lái)。第 14 章提供的算子和核心電路表 可以作為你設(shè)計(jì)自己的量子計(jì)算協(xié)議的一個(gè)便利的參考。

專(zhuān)業(yè)評(píng)論

量子計(jì)算的發(fā)展關(guān)鍵在于人才，而人才的培養(yǎng)離不開(kāi)一本好的教材或入門(mén)書(shū)籍。相比于量子計(jì)算領(lǐng)域成書(shū)較早的教材來(lái)說(shuō)，該書(shū)至少有以下幾點(diǎn)值得一讀：第一，納入了最新的研究成果。第二，量子計(jì)算簡(jiǎn)史部分將讓讀者對(duì)量子計(jì)算的發(fā)展脈絡(luò)有較清楚的了解。第三，有關(guān)量子計(jì)算編程的內(nèi)容讓許多“躍躍欲試”的讀者可以動(dòng)手試試。希望大家讀有所獲。
——李綠周，中山大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院量子計(jì)算與計(jì)算機(jī)理論研究所教授，博士生導(dǎo)師

當(dāng)前量子計(jì)算已經(jīng)進(jìn)入帶噪聲中等規(guī)模量子系統(tǒng)（NISQ）階段，學(xué)者們針對(duì)未來(lái)量子計(jì)算的一些潛在應(yīng)用場(chǎng)景做了大量有益嘗試。本書(shū)結(jié)合應(yīng)用視角，對(duì)該階段量子計(jì)算的理論框架、硬件與編程實(shí)現(xiàn)以及所需的數(shù)學(xué)工具等方面做了很好的介紹，對(duì)有志于從事量子計(jì)算研究與開(kāi)發(fā)的讀者是一本非常好的工具書(shū)。
——孫曉明，中科院計(jì)算所研究員，博士生導(dǎo)師，量子計(jì)算與算法理論實(shí)驗(yàn)室主任

本書(shū)的作者是計(jì)算機(jī)行業(yè)的資深研究員，有著豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本書(shū)的內(nèi)容很好地體現(xiàn)了作者的這一優(yōu)勢(shì)，將量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)和動(dòng)手實(shí)踐結(jié)合到一起，使讀者通過(guò)本書(shū)的學(xué)習(xí)能親身體驗(yàn)量子計(jì)算這一新興的科技。感謝姚老師團(tuán)隊(duì)的翻譯和付出，相信本書(shū)的引進(jìn)和出版對(duì)培養(yǎng)我國(guó)的量子計(jì)算人才將起到積極的推動(dòng)作用。
——魏朝暉，清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心助理教授，博士生導(dǎo)師

目前量子計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入了工程化階段，量子硬件的發(fā)展一日千里，可是對(duì)應(yīng)的量子算法和量子軟件的發(fā)展卻相對(duì)較慢。核心的原因是人才培養(yǎng)的方式并沒(méi)有跟上時(shí)代的節(jié)奏，很多學(xué)校的老師還是用20年前Nielsen和Chuang編寫(xiě)的教科書(shū)。這本Hidary編寫(xiě)的量子計(jì)算教科書(shū)來(lái)的正合時(shí)，正好可以補(bǔ)充變分量子算法和量子軟件等缺口，讓學(xué)生和量子計(jì)算的新手少走不少?gòu)澛贰?br />——翁文康，華為量子計(jì)算軟件與算法首席科學(xué)家

“量子計(jì)算將以一種意想不到的方式改變我們的世界。本書(shū)為技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者、工程師和研究生提供了可以在新型平臺(tái)上進(jìn)行編程的方法和代碼?！?br />—— Eric Schmidt，博士，Google前董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官，Innovation Endeavors創(chuàng)始人

“這是我所見(jiàn)過(guò)的量子計(jì)算課程的最佳教材。它簡(jiǎn)要介紹了量子計(jì)算的基礎(chǔ)、歷史和硬件，并提供了許多重要算法的可執(zhí)行代碼。此外，這本書(shū)能讓讀者快速掌握所需的所有數(shù)學(xué)知識(shí)。我計(jì)劃在我的量子編程課程中使用這本書(shū)?！?br />—— Jens Palsberg，UCLA計(jì)算機(jī)科學(xué)教授

“這本書(shū)填補(bǔ)了有關(guān)量子計(jì)算的文獻(xiàn)中的空白。它提供的大量實(shí)用代碼示例，在相關(guān)培訓(xùn)中將很受歡迎。當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究人員和工程師正準(zhǔn)備編寫(xiě)量子計(jì)算機(jī)程序，這本書(shū)的出版正逢其時(shí)。”
—— Dennis Willsch, Jülich超算中心

使用指南

1. 大學(xué)老師：你可以通過(guò)本書(shū)中的內(nèi)容講授不同的課程。書(shū)中的所有代碼都在本書(shū)配 套網(wǎng)站上。本書(shū)數(shù)學(xué)章節(jié)的內(nèi)容，從頭到尾貫穿了大量的練習(xí)。其他章節(jié)的編程練 習(xí)和習(xí)題集，請(qǐng)查閱在線網(wǎng)站。

（a）STEM 專(zhuān)業(yè)的量子計(jì)算課程。

i. 我們建議將第 1 章和第 2 章作為本課程的先導(dǎo)，然后繼續(xù)逐章講解，并可 以利用 GitHub 網(wǎng)站上提供的練習(xí)。

ii. 如果學(xué)生的線性代數(shù)或者相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)不夠，可以花幾周學(xué)習(xí)本書(shū)的第 三部分。

（b ）面向物理研究生的量子計(jì)算課程。

i. 對(duì)于本課程，我們建議結(jié)合使用這本書(shū)與 Nielsen 和 Chuang 的優(yōu)秀教材 [161] 或其他有一定理論深度的教材。我們所有人都要感謝Michael Nielsen 、Isaac Chuang 和過(guò)去 20 年出現(xiàn)的其他教材的作者們。如果要給已經(jīng)修過(guò)高等物理 的學(xué)生講授，我們還建議你參考 John Preskill 的講義 [174]。我們的工作旨在 以下幾個(gè)方面補(bǔ)充 Nielsen 和 Chuang 的教材。

A. 本書(shū)更側(cè)重于編程。顯然過(guò)去幾年寫(xiě)的書(shū)不會(huì)涵蓋目前針對(duì)量子計(jì)算的 開(kāi)發(fā)工具和基于 Python 的方法。

B. 本書(shū)沒(méi)有像 Nielsen 和 Chuang 的書(shū)一樣探討信息論的概念。

C. 本書(shū)的數(shù)學(xué)工具部分提供了更詳細(xì)的信息，這就可以幫助那些沒(méi)有修過(guò) 嚴(yán)格的線性代數(shù)課程的學(xué)生。據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，其他量子力學(xué)教材中關(guān)于 線性代數(shù)和其他必要數(shù)學(xué)工具的簡(jiǎn)短總結(jié)往往是不夠的。

ii. 我們建議把第 1 章和第 2 章作為先導(dǎo)內(nèi)容。

iii. 我們建議涵蓋有關(guān)酉算子、測(cè)量和量子電路等相關(guān)章節(jié)，并通過(guò) GitHub 網(wǎng) 站的練習(xí)檢查掌握情況。

iv. 我們建議課程的大部分時(shí)間用于講授本書(shū)第二部分，為學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)踐 編寫(xiě)代碼的機(jī)會(huì)。

（c ）面向計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的量子計(jì)算課程。

i. 我們建議將前兩章作為先導(dǎo)內(nèi)容，然后在第三部分對(duì)數(shù)學(xué)工具進(jìn)行回顧。

如果學(xué)生之前僅僅接觸過(guò)本科線性代數(shù)，相關(guān)知識(shí)很有可能不夠， 因?yàn)楸?科的線性代數(shù)往往沒(méi)有完整的講述。

ii. 我們建議通過(guò)第 3 章和第 4 章來(lái)熟悉量子領(lǐng)域中的酉算子、測(cè)量和復(fù)雜 性類(lèi)。

iii. 課程涵蓋構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的方法以及所有編程章節(jié)。請(qǐng)查看 GitHub 網(wǎng)站， 以找到更多資源，包括本書(shū)中的代碼、習(xí)題集和其他教學(xué)資源的鏈接。

2. 專(zhuān)家學(xué)者：對(duì)于未從事量子計(jì)算相關(guān)領(lǐng)域工作并希望迅速跟進(jìn)這個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué) 者，我們建議閱讀量子計(jì)算的簡(jiǎn)史，這里我們提供了更詳細(xì)的細(xì)節(jié)；然后可以了解 一下量子硬件以及本書(shū)第二部分中的相關(guān)應(yīng)用。

3. 軟件工程師：我們建議從開(kāi)頭的兩章開(kāi)始， 然后回顧一下第三部分中的工具。之 后，我們建議你返回第一部分中對(duì)量子比特和酉算子的介紹開(kāi)始學(xué)習(xí)。

4. 工程和業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人：對(duì)于不愿意寫(xiě)代碼的讀者，我們建議重點(diǎn)關(guān)注第 1 ～ 4 章。想 了解更多的讀者可通過(guò)一些代碼示例來(lái)研究相關(guān)算法。

5. 獨(dú)立學(xué)習(xí)：這本書(shū)可以很容易地用作獨(dú)立學(xué)習(xí)的教材。我們建議將本書(shū)與在線資源結(jié)合使用。請(qǐng)查閱 GitHub 網(wǎng)站以獲取更新的資源列表。

我們建議讀者通過(guò)第三部分的自我測(cè)試來(lái)評(píng)估一下自己對(duì)第三部分核心工具的掌握程 度。然后可以繼續(xù)進(jìn)行第一部分的學(xué)習(xí)。

對(duì)于那些在量子力學(xué)或信息論方面具有深厚背景的讀者，在閱讀第二部分之前，我們 建議你查閱第 2 ～ 4 章所引用的論文，更深入地了解該領(lǐng)域的狀況。

目錄

作者簡(jiǎn)介

Jack D. Hidary是Alphabet X（前身為Google X）的科學(xué)家，專(zhuān)注于人工智能和量子計(jì)算的研究。他和他的團(tuán)隊(duì)為NISQ量子處理器開(kāi)發(fā)和研究算法，并為量子計(jì)算創(chuàng)建新的軟件庫(kù)。在人工智能領(lǐng)域，他和他的團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于基礎(chǔ)研究，如深度網(wǎng)絡(luò)的泛化以及應(yīng)用人工智能技術(shù)等。