在本書中，我們將探討量子計算——一個新興的平臺，它與我們當前利用數(shù)字技術(shù)進行計算的方式有著本質(zhì)的不同?？梢钥隙ǖ氖牵覀兙嚯x大規(guī)模量子計算機還差很多年。 然而我們現(xiàn)在知道這樣的系統(tǒng)是可以實現(xiàn)的。隨著工程上的進步，我們將會看到量子計算的真正的影響。

量子計算是量子信息科學（QIS）領(lǐng)域的一部分。QIS 的三個分支——計算、通信和傳 感，都在高速發(fā)展。一個領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)會刺激另一個領(lǐng)域取得進展。量子通信利用了量子系統(tǒng)不尋常的特性來傳輸信息，達到竊聽者無法竊取任何信息的目的。量子計算的發(fā)展驅(qū)使我們進入后量子密碼時代。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。

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

在這本書中，我們將專注于量子計算。量子計算和經(jīng)典計算的關(guān)鍵差別在于量子計算 過程是在操縱量子態(tài)本身，這給了我們比傳統(tǒng)計算機要大得多的計算空間。在經(jīng)典計算機 中， 如果我們希望對真實世界的量子物理系統(tǒng)進行建模， 那么我們只能對這種系統(tǒng)的表示 來進行建模，而不操作這個系統(tǒng)自身。

量子計算：一種應用方法

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

量子計算：一種應用方法

量子計算自然科學書籍

量子理論與量子物理科研

計算機科學量子算法思維方式

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全彩印刷，帶你輕松踏入量子算法和量子應用的大門！

在本書中，我們將探討量子計算機與人類歷史上的其他計算機都不一樣。本書的獨特 之處在于我們將不僅介紹理論，還介紹現(xiàn)實中如何建造這樣的計算機，如何為這些系統(tǒng)編 寫應用程序?，F(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)有幾個基于云的量子系統(tǒng)的可編程開發(fā)庫。本書將逐步講解代 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解決特定的問題。本書將主 要使用Python 語言。

本書包含了三個部分。

第一部分介紹了必要的框架來實現(xiàn)量子計算機和電路的設計。這部分還將探索在“復 雜性類”中的哪些問題可能適合利用量子計算。

本書第二部分適用于希望深入研究在這類新機器上如何編程的讀者。如果你已經(jīng)有量 子力學、量子信息論和理論計算機科學的背景，你可以直接跳到第二部分并研究代碼。請 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，并將它們與量子計算聯(lián)系起來。第 14 章提供的算子和核心電路表 可以作為你設計自己的量子計算協(xié)議的一個便利的參考。

專業(yè)評論

量子計算的發(fā)展關(guān)鍵在于人才，而人才的培養(yǎng)離不開一本好的教材或入門書籍。相比于量子計算領(lǐng)域成書較早的教材來說，該書至少有以下幾點值得一讀：第一，納入了最新的研究成果。第二，量子計算簡史部分將讓讀者對量子計算的發(fā)展脈絡有較清楚的了解。第三，有關(guān)量子計算編程的內(nèi)容讓許多“躍躍欲試”的讀者可以動手試試。希望大家讀有所獲。
——李綠周，中山大學計算機學院量子計算與計算機理論研究所教授，博士生導師

當前量子計算已經(jīng)進入帶噪聲中等規(guī)模量子系統(tǒng)（NISQ）階段，學者們針對未來量子計算的一些潛在應用場景做了大量有益嘗試。本書結(jié)合應用視角，對該階段量子計算的理論框架、硬件與編程實現(xiàn)以及所需的數(shù)學工具等方面做了很好的介紹，對有志于從事量子計算研究與開發(fā)的讀者是一本非常好的工具書。
——孫曉明，中科院計算所研究員，博士生導師，量子計算與算法理論實驗室主任

本書的作者是計算機行業(yè)的資深研究員，有著豐富的理論和實踐經(jīng)驗，本書的內(nèi)容很好地體現(xiàn)了作者的這一優(yōu)勢，將量子計算的理論基礎和動手實踐結(jié)合到一起，使讀者通過本書的學習能親身體驗量子計算這一新興的科技。感謝姚老師團隊的翻譯和付出，相信本書的引進和出版對培養(yǎng)我國的量子計算人才將起到積極的推動作用。
——魏朝暉，清華大學丘成桐數(shù)學科學中心助理教授，博士生導師

目前量子計算領(lǐng)域已經(jīng)進入了工程化階段，量子硬件的發(fā)展一日千里，可是對應的量子算法和量子軟件的發(fā)展卻相對較慢。核心的原因是人才培養(yǎng)的方式并沒有跟上時代的節(jié)奏，很多學校的老師還是用20年前Nielsen和Chuang編寫的教科書。這本Hidary編寫的量子計算教科書來的正合時，正好可以補充變分量子算法和量子軟件等缺口，讓學生和量子計算的新手少走不少彎路。
——翁文康，華為量子計算軟件與算法首席科學家

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

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

“這本書填補了有關(guān)量子計算的文獻中的空白。它提供的大量實用代碼示例，在相關(guān)培訓中將很受歡迎。當前學術(shù)界和工業(yè)界的研究人員和工程師正準備編寫量子計算機程序，這本書的出版正逢其時?！?br />—— Dennis Willsch, Jülich超算中心

使用指南

1. 大學老師：你可以通過本書中的內(nèi)容講授不同的課程。書中的所有代碼都在本書配 套網(wǎng)站上。本書數(shù)學章節(jié)的內(nèi)容，從頭到尾貫穿了大量的練習。其他章節(jié)的編程練 習和習題集，請查閱在線網(wǎng)站。

（a）STEM 專業(yè)的量子計算課程。

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

ii. 如果學生的線性代數(shù)或者相關(guān)的數(shù)學知識不夠，可以花幾周學習本書的第 三部分。

（b ）面向物理研究生的量子計算課程。

i. 對于本課程，我們建議結(jié)合使用這本書與 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 和過去 20 年出現(xiàn)的其他教材的作者們。如果要給已經(jīng)修過高等物理 的學生講授，我們還建議你參考 John Preskill 的講義 [174]。我們的工作旨在 以下幾個方面補充 Nielsen 和 Chuang 的教材。

A. 本書更側(cè)重于編程。顯然過去幾年寫的書不會涵蓋目前針對量子計算的 開發(fā)工具和基于 Python 的方法。

B. 本書沒有像 Nielsen 和 Chuang 的書一樣探討信息論的概念。

C. 本書的數(shù)學工具部分提供了更詳細的信息，這就可以幫助那些沒有修過 嚴格的線性代數(shù)課程的學生。據(jù)我們的經(jīng)驗，其他量子力學教材中關(guān)于 線性代數(shù)和其他必要數(shù)學工具的簡短總結(jié)往往是不夠的。

ii. 我們建議把第 1 章和第 2 章作為先導內(nèi)容。

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

iv. 我們建議課程的大部分時間用于講授本書第二部分，為學生提供動手實踐 編寫代碼的機會。

（c ）面向計算機科學專業(yè)研究生的量子計算課程。

i. 我們建議將前兩章作為先導內(nèi)容，然后在第三部分對數(shù)學工具進行回顧。

如果學生之前僅僅接觸過本科線性代數(shù)，相關(guān)知識很有可能不夠， 因為本 科的線性代數(shù)往往沒有完整的講述。

ii. 我們建議通過第 3 章和第 4 章來熟悉量子領(lǐng)域中的酉算子、測量和復雜 性類。

iii. 課程涵蓋構(gòu)建量子計算機的方法以及所有編程章節(jié)。請查看 GitHub 網(wǎng)站， 以找到更多資源，包括本書中的代碼、習題集和其他教學資源的鏈接。

2. 專家學者：對于未從事量子計算相關(guān)領(lǐng)域工作并希望迅速跟進這個領(lǐng)域的專家學 者，我們建議閱讀量子計算的簡史，這里我們提供了更詳細的細節(jié)；然后可以了解 一下量子硬件以及本書第二部分中的相關(guān)應用。

3. 軟件工程師：我們建議從開頭的兩章開始， 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量子比特和酉算子的介紹開始學習。

4. 工程和業(yè)務負責人：對于不愿意寫代碼的讀者，我們建議重點關(guān)注第 1 ～ 4 章。想 了解更多的讀者可通過一些代碼示例來研究相關(guān)算法。

5. 獨立學習：這本書可以很容易地用作獨立學習的教材。我們建議將本書與在線資源結(jié)合使用。請查閱 GitHub 網(wǎng)站以獲取更新的資源列表。

我們建議讀者通過第三部分的自我測試來評估一下自己對第三部分核心工具的掌握程 度。然后可以繼續(xù)進行第一部分的學習。

對于那些在量子力學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

作者簡介

Jack D. Hidary是Alphabet X（前身為Google X）的科學家，專注于人工智能和量子計算的研究。他和他的團隊為NISQ量子處理器開發(fā)和研究算法，并為量子計算創(chuàng)建新的軟件庫。在人工智能領(lǐng)域，他和他的團隊專注于基礎研究，如深度網(wǎng)絡的泛化以及應用人工智能技術(shù)等。