量子计算PYTHON与Q#编程实战

第 一部分 量子入门 第 1章 量子计算简介 3 1.1 为什么量子计算很重要？ 4 1.2 什么是量子计算机？ 5 1.3 如何使用量子计算机？ 7 1.3.1 量子计算机能做什么？ 9 1.3.2 量子计算机不能做什么？ 10 1.4 什么是程序？ 11 什么是量子程序？ 12 小结 14 第 2章 量子位：构建块 15 2.1 为什么需要随机数？ 16 2.2 什么是经典位？ 19 2.2.1 我们能用经典位做什么？ 21 2.2.2 抽象是我们的朋友 23 2.3 量子位：状态和操作 25 2.3.1 量子位的状态 25 2.3.2 操作的游戏 27 2.3.3 测量量子位 31 2.3.4 一般化测量：基独立 35 2.3.5 用代码模拟量子位 37 2.4 编程一个工作的QRNG 42 小结 47 第3章 用量子密钥分发来分享秘密 48 3.1 在爱情和加密中一切都很公平 48 3.1.1 量子NOT操作 51 3.1.2 借助量子位共享经典位 55 3.2 双组基的故事 56 3.3 量子密钥分发：BB84 59 3.4 使用密钥发送秘密消息 64 小结 67 第4章 非本地游戏：使用多量子位 68 4.1 非本地游戏 68 4.1.1 什么是非本地游戏？ 69 4.1.2 测试量子物理学：CHSH游戏 69 4.1.3 经典策略 72 4.2 处理多量子位状态 73 4.2.1 寄存器 74 4.2.2 为什么很难模拟量子计算机？ 76 4.2.3 用于状态制备的张量积 77 4.2.4 张量积对寄存器的量子位操作 78 小结 81 第5章 非本地游戏：实现多量子位模拟器 82 5.1 QuTiP中的量子对象 82 5.1.1 升级仿真器 87 5.1.2 测量起来：如何测量多量子位？ 91 5.2 CHSH：量子策略 94 小结 98 第6章 隐形传态和纠缠：量子数据的移动 99 6.1 移动量子数据 99 6.1.1 换出模拟器 102 6.1.2 还有哪些双量子位门？ 106 6.2 所有的单(量子位)旋转 108 6.3 隐形传态 116 小结 119 第 一部分：结语 119 第二部分 在Q# 中对量子算法进行编程 第7章 改变胜率：关于Q#的介绍123 7.1 量子开发工具包介绍 124 7.2 Q#中的函数和操作 127 7.3 将操作作为参数传递 133 7.4 在Q#中玩莫甘娜的游戏 138 小结 140 第8章 什么是量子算法 141 8.1 经典算法和量子算法 141 8.2 多伊奇-约萨算法：对搜索的适度改进 144 8.3 oracle：在量子算法中表示经典函数 149 8.3.1 梅林的变换 150 8.3.2 推广我们的结果 153 8.4 在Q#中模拟多伊奇-约萨算法 157 8.5 对量子算法技术的思考 161 8.5.1 鞋子和袜子：应用和撤销量子操作 161 8.5.2 用阿达马指令来翻转控制和目标 164 8.6 相位反冲：我们成功的关键 166 小结 170 第9章 量子传感：不仅仅是相位 172 9.1 相位估计：利用量子位的有用属性进行测量 172 9.2 用户定义的类型 177 9.3 从Python中运行Q# 184 9.4 特征态和局部相位 189 9.5 受控应用：将全局相位变成局部相位 193 9.6 实现兰斯洛特的相位估计游戏的*佳策略 199 小结 201 第二部分：结语 201 第三部分 应用量子计算 第 10章 用量子计算机解决化学问题 205 10.1 量子计算的实际化学应用 205 10.2 通往量子力学的多条路径 207 10.3 用哈密顿算符描述量子系统如何随时间演化 210 10.4 用泡利操作围绕任意轴旋转 214 10.5 在系统中做出想要的变化 221 10.6 经历(非常小的)变化 222 10.7 整合在一起 225 小结 230 第 11章 用量子计算机搜索 232 11.1 搜索非结构化数据 232 11.2 关于状态的反射 238 11.2.1 关于全一状态的反射 239 11.2.2 关于任意状态的反射 240 11.3 实现格罗弗算法 246 11.4 资源估算 252 小结 257 第 12章 用量子计算机进行算术运算 258 12.1 将量子计算纳入安全因素 258 12.2 将模算术与因数分解联系起来 262 12.3 经典代数和因数分解 267 12.4 量子算术 270 12.4.1 用量子位相加 271 12.4.2 处于叠加态的量子位相乘 272 12.4.3 舒尔算法中的取模乘法 275 12.5 整合在一起 278 小结 282 临别赠言 283 附录A 安装所需软件 285 A.1 在线运行示例 285 A.1.1 使用Binder 285 A.1.2 使用GitHub Codespaces 286 A.2 使用Anaconda进行本地安装 286 A.2.1 安装Anaconda 286 A.2.2 用Anaconda安装软件包 286 A.3 安装QDK 288 A.3.1 安装.NET Core SDK 289 A.3.2 安装项目模板 289 A.3.3 安装Visual Studio Code扩展程序 290 A.3.4 为Jupyter Notebook安装IQ# 290 附录B 术语和快速参考 291 B.1 术语 291 B.2 狄拉克符号 293 B.3 量子操作 294 B.4 Q#语言 296 B.4.1 类型 296 B.4.2 Q#的声明和语句 297 B.4.3 Q#表达式和操作符 300 B.4.4 Q#标准库 301 B.4.5 IQ#魔法命令 303 附录C 线性代数 304 C.1 走近向量 304 C.2 亲自体验矩阵 306 附录D 通过实例探索多伊奇-约萨算法 316 D.1 使用我们的技能，尝试做点什么 316 D.2 步骤1：为多伊奇-约萨制备输入状态 317 D.3 步骤2：应用oracle 318 D.3.1 例1：“id”oracle 320 D.3.2 例2：“not”oracle 321 D.3.3 例3：“zero”oracle 322 D.4 步骤3和4：撤销对目标量子位的制备，并测量 323