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