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量子程序设计基础

来与量子计算作一次亲密旅程! 量子编程,与量子技术革命零距离!提供课件、源码,咨询QQ:2301891038(仅限教师)。

作者:王震宇
定价:54.50
印次:1-1
ISBN:9787302604853
出版日期:2022.10.01
印刷日期:2022.10.26

本书系统介绍量子线路和量子程序设计的基础知识及原理方法,精选的内容与编程实例旨在帮助学生培养量子程序设计、调试和分析等方面的基本能力,从而为将来的学习、研究和应用奠定基础。 全书既注重原理,又注重实践,学生通过编程训练和实践能更准确地理解量子计算的基本概念和基础理论。本书概念讲解清楚,逻辑性强,通俗易懂,并配有大量图表、例题和习题,是初学量子计算和量子程序设计的理想教材,可作为高等学校相关专业本科生和研究生的教材,也可供广大从事量子信息科学研究的科技人员和学习量子程序设计的自学者参考。

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前言 量子计算作为一门新兴的计算科学,将会成为影响人类社会的一场重要的技术革命。量子物理、量子计算引领的量子科学与技术正在和计算机科学、网络安全、数学、通信、电子、化学、测量、传感和医学等学科交叉。目前,教育部已设立“量子科学与技术”一级学科和“量子信息科学”本科专业,各高校正在加大量子技术“新工科”相关人才的培养力度。“量子程序设计”将成为这些学科的重要课程。本书针对初学者的特点和认知规律精选内容和编程实例,力求以简明易懂的文字和线性代数阐述各知识点,通过量子程序的编程训练与动手实践帮助学生更准确地理解量子计算的基本概念和基础理论,掌握量子程序的工作原理、编程原理和基本流程,建立量子技术新思维,从而降低学习量子计算和量子程序设计的门槛。 目前,越来越多的量子云平台开始允许公众使用各类量子计算设备,并为量子程序编程提供了实验条件。本书以IBM量子云平台中的Quantum Composer和Quantum Lab作为实验平台,所有样例代码均在该平台上通过调试且正确运行。读者也可在本地建立开发环境,进行开发学习。本书对于其他平台的学习者也有一定的参考价值。 本书共7章。 第1章 概论。概述量子的概念,量子力学的发展历程,量子比特及其叠加、纠缠、相干和测量等基本性质,经典计算与量子计算的区别,量子程序的开发和执行过程等。 第2章 量子比特与布洛赫球表示。深入介绍量子比特的数学描述、几何图像与半角处理、全局相位、相对相位、量子态测量、基向量及基变换、纯态、混态、最大混态、密度矩阵、酉变换等概念。 第3章 单量子比特门。系统介绍常用的单量子比特门的功能、矩阵表示、线路符号和OpenQASM语句等,以及绕任意轴旋转门Rn^(θ)。 第4章 多量子比特门。系统介绍常用的多量子比特门的功能、矩阵表示、线路符号和OpenQASM语句等,以及多量子比特的状态空间表示和量子线路状态演化的推演方法。 第5章 基于量子汇编指令的量子线路设计。通过实例进行量子线路设计、调试和分析等方面的编程能力训练,配套实例包括OpenQASM量子线路代码基本结构、自定义门、单步调试、模拟器运行、远程实体机运行与结果可视化分析、量子逻辑门、量子加法器和量子相位反冲等。 第6章 基于Python的量子程序设计。通过实例进行量子程序设计、调试和分析等方面的编程能力训练,配套实例包括Qiskit量子程序的基本框架、模拟器运行、实体机运行、量子态可视化、状态向量提取、酉矩阵提取、量子比特布洛赫球表示的绘制、量子比特初态制备、量子比特态测量等。 第7章 量子算法原理与实现。阐述六大典型量子算法的原理和编程实现: DeutschJozsa算法、Grover算法、量子傅里叶变换、量子相位估计、Shor算法与HHL算法。 本书在编写过程中得到了清华大学出版社的大力支持,获评河南省“十四五”普通高等教育规划教材重点项目,同时得到了中国人民解放军战略支援部队信息工程大学网络空间安全学院的有力支持,在此对以上单位一并表示感谢。同时,特别感谢庞建民教授、单征教授、赵博教员、侯一凡教员、许瑾晨教员、穆清教员和孙回回教员等参与了教材立项和内容规划等工作;感谢舒国强同学、邸诗秦同学、封聪聪同学、于小涵同学和郭佳郁同学等的积极参与,他们为本书的出版付出了巨大的努力;感谢侯一凡教员为本书制作了部分配图。 由于编者知识水平有限,书中的缺点与错误在所难免,望读者不吝批评、指正。 王震宇2022年8月

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  • 1.适应新工科人才培养的新需求,填补相关空白。

    当前各国均在国家战略层面大力投入人才资金在争取量子霸权的制高点。目前量子领域的教材主要集中在量子物理、量子力学和量子信息角度来讲述,虽然这些领域的量子编程思想和目的不一样,但却具有很多共性的思想和理论。本书将从量子程序设计理论和方法的角度来阐述量子编程的原理和方法。目前市场上没有同类的教材。

    2.阐述量子计算机体系架构背后的共性工作原理,重点解决量子程序为什么为何这么编、为何要这么测量等问题,降低量子程序编程入门门槛。

    目前为数不多的若干教材在介绍量子算法设计,有二三本讲讲述特定平台上特定量子语言的编程技术。这些书均要求读者对量子技术、对应平台和语言有较深入的了解,入门门槛高。本书目的是帮助读者深入理解量子程序设计的编程框架和工作原理,降低入门门槛。

    3.本书旨在通过量子程序设计和编程思想的教学,建立新的量子技术新思维。

    当前量子计算机只有少数科研机构才有,但量子模拟器上可以让更广泛的学生来运行量子程序。量子科学当前是一门新兴的交叉学科,当前越来越多的人员从事量子计算、量子通讯、量子物理等相关专业的学习和研究,量子编程是大家都需面对的问题。
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  • 目录

    第1章概论1

    1.1量子和量子力学1

    1.1.1量子的概念1

    1.1.2量子力学的产生3

    1.2量子比特4

    1.2.1经典比特到量子比特4

    1.2.2量子比特的重要概念7

    1.2.3量子比特物理实现方式11

    1.2.4经典比特与量子比特的区别14

    1.3量子计算14

    1.3.1经典计算到量子计算14

    1.3.2经典计算和量子计算的区别15

    1.3.3量子计算简史17

    1.4量子程序与量子编程19

    1.5典型量子程序开发平台20

    小结21

    习题21

    第2章量子比特与布洛赫球表示23

    2.1量子比特的数学描述23

    2.2量子比特几何图像24

    2.3量子比特的布洛赫球表示26

    2.3.1复平面单位圆26

    2.3.2量子态的原始极坐标表示26

    2.3.3全局相位不变性27

    2.3.4归一化约束27

    2.3.5半角处理28

    2.4布洛赫球的性质28

    2.5量子测量31

    2.5.1投影测量31

    2.5.2正交基与量子态测量32

    2.5.3计算基下测量的完备性34

    2.6纯态、混态及其密度矩阵37

    2.7量子门与量子态变迁39

    2.7.1酉变换与酉算符39

    2.7.2单量子比特的状态演化可视化40

    小结42

    习题43

    〖3〗量子程序设计基础目录〖3〗第3章单量子比特门44

    3.1单量子比特门OpenQASM语句44

    3.2Pauli门45

    3.2.1PauliX门45

    3.2.2PauliY门46

    3.2.3PauliZ门47

    3.3Hadamard门47

    3.4相位门49

    3...

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