图解量子计算机

　　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。

　　宇津木健（著）1987年出生于日本埼玉县。2013年硕士毕业于东京工业大学，研究方向为物理信息系统。同年，入职日立制作所，从事光学研发工作。自大学时期起，就对量子计算机抱有浓厚兴趣，并于2018年进入早稻田大学攻读博士学位，从事量子计算机相关研究。目前，每个月都会在东京组织量子信息学习小组的活动。德永裕己（审）2001年硕士毕业于东京大学理学系研究科。2007年博士毕业于大阪大学基础工学研究科。2019年至今在日本NTT公司安全平台实验室任特别研究员，从事量子信息技术的研究工作。研究内容既包含基于量子光学的硬件制造，又包含纠错码设计等计算机科学相关技术。胡屹（译）Web后端工程师、技术图书译者。译有《计算机是怎样跑起来的》《自制搜索引擎》和《图解云计算架构：基础设施和API》。

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
1．2．6　NISQ 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
4．2．1　X门（泡利-X门） 68
4．2．2　Z门（相位翻转门） 69
4．2．3　H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
4．3．1　SWAP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
6．2　Grover算法 105
6．2．1　概述 105
6．2．2　量子电路 106
6．3　Shor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
6．4．2　VQE 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