量子計算實戰 Quantum Computing in Action

Johan Vos是Java Champion稱號獲得者、活躍的OpenJDK貢獻者、OpenJDK Mobile項目負責人，以及OpenJFX共同規範負責人。Johan在代爾夫特理工大學獲應用物理學博士學位。他是ProJava FX2/8/9和The Definitive Guide to Modern Java Clients with JavaFX的作者之一。Johan一直積極參與開源軟件的開發。他也是Blackdown團隊的一員，該團隊將Java移植到了Linux系統。除了在OpenJFX中擔任領導，他還為許多Java和JavaFX的相關庫做出了貢獻，包括本書中討論的Strange和StrangeFX等。

第 1部分 量子計算導論

 

第 1章 進化，革命，還是炒作？ 3

1.1 期望管理 4

1.1.1 硬件 4

1.1.2 軟件 5

1.1.3 算法 8

1.1.4 為什麽現在就開始量子計算？ 9

1.2 量子計算的顛覆性部分：貼近自然 10

1.2.1 經典電腦的進化 10

1.2.2 量子電腦的進化 11

1.2.3 量子物理 11

1.3 混合計算 11

1.4 為量子電腦抽象軟件 13

1.5 從量子到計算還是從計算到量子 15

本章小結 16

 

第 2章 “Hello, world”量子計算版 17

2.1 Strange簡介 17

2.2 用Strange運行第 一個示例程序 18

2.3 分析HelloStrange的代碼 20

2.3.1 構建過程 21

2.3.2 代碼 23

2.3.3 Java API及其實現 25

2.4 獲取並安裝Strange代碼 26

2.4.1 下載代碼 26

2.4.2 初識代碼庫 26

2.5 後續步驟 27

本章小結 27

 

第3章 量子位與量子邏輯門：量子計算的基本單元 29

3.1 經典位與量子位 30

3.2 量子位的符號表示 31

3.2.1 一個量子位 31

3.2.2 多個量子位 32

3.3 邏輯門：操作和觀測量子位 35

3.4 第 1個量子邏輯門：泡利X門 36

3.5 在Strange中操作量子位 37

3.5.1 QuantumExecutionEnvironment接口 38

3.5.2 Program類 39

3.5.3 Step和邏輯門 39

3.5.4 結果 40

3.6 量子電路的可視化 40

本章小結 42

 

第２部分 基本概念及其在編程中的應用

 

第4章 疊加態 47

4.1 什麽是疊加態？ 48

4.2 用概率向量表示量子系統的狀態 51

4.3 矩陣門操作簡介 55

4.3.1 泡利X門的矩陣表示 56

4.3.2 對疊加態的量子位運用泡利X門 57

4.3.3 適用於所有邏輯門的矩陣 59

4.4 阿達瑪門：產生疊加態的門 60

4.5 運用阿達瑪門的Java代碼 61

本章小結 64

 

第5章 糾纏 65

5.1 預測正反面 65

5.2 獨立概率：經典方式 66

5.3 獨立概率：量子方式 70

5.4 糾纏的物理概念 72

5.5 表徵量子糾纏的邏輯門 76

5.5.1 轉換為概率向量 76

5.5.2 受控非門（CNOT門） 76

5.6 創建貝爾態：相關概率 80

5.7 《瑪麗有個小量子位》 82

本章小結 84

 

第6章 量子網絡初探 85

6.1 量子網絡的拓撲結構 87

6.2 量子網絡的障礙 89

6.2.1 Java中的經典網絡 89

6.2.2 量子不可克隆定理 93

6.2.3 傳輸量子位的物理限制 95

6.3 泡利Z門與觀測 96

6.3.1 泡利Z門 96

6.3.2 觀測 98

6.4 量子遠程傳態 98

6.4.1 量子遠程傳態的目標 98

6.4.2 第 1步：Alice和Bob之間的糾纏 99

6.4.3 第 2步：Alice的操作 100

6.4.4 第3步：Bob的操作 101

6.4.5 運行應用程序 102

6.4.6 量子與經典通信 105

6.5 量子中繼器 105

本章小結 109

 

第3部分 量子算法與代碼

 

第7章 對“Hello, world”的解釋 113

7.1 從硬件到高級語言 114

7.2 不同層次的抽象 115

7.3 量子計算模擬器的其他語言 116

7.3.1 方式 116

7.3.2 其他語言資源 117

7.4 Strange：高/低級方法 117

7.4.1 頂級API 118

7.4.2 低級API 118

7.4.3 何時使用何種接口 120

7.5 StrangeFX：一種開發工具 120

7.5.1 電路的可視化 120

7.5.2 調試Strange代碼 122

7.6 使用Strange創建個人電路 125

7.6.1 量子算術：舒爾算法小引 126

7.6.2 將兩個量子位相加 126

7.6.3 包含進制位的量子算術 128

7.6.4 後續步驟 131

7.7 模擬器、雲服務和真正的硬件 131

本章小結 133

 

第8章 利用量子計算的安全通信 135

8.1 初始啟動問題 135

8.1.1 利用網絡傳輸位的問題 136

8.1.2 利用一次性密鑰確保安全 137

8.1.3 共享密鑰 139

8.2 量子密鑰分配 139

8.3 樸素方法 140

8.4 利用疊加態 144

8.4.1 應用兩個阿達瑪門 144

8.4.2 發送疊加態量子位 145

8.5 BB84 149

8.5.1 迷惑Eve 149

8.5.2 Bob也迷惑了 151

8.5.3 Alice和Bob進行通信 152

8.6 Java中的量子密鑰分配 152

8.6.1 代碼 153

8.6.2 運行應用程序 155

本章小結 157

 

第9章 多伊奇-約薩算法 159

9.1 當解答不是問題時 159

9.2 函數的性質 161

9.3 可逆量子邏輯門 164

9.3.1 實驗證據 165

9.3.2 數學證明 166

9.4 定義諭示 167

9.5 從函數到諭示 170

9.5.1 常數函數 171

9.5.2 平衡函數 172

9.6 多伊奇算法 173

9.7 多伊奇-約薩算法 178

9.8 結論 180

本章小結 181

 

第 10章 格羅弗搜索算法 183

10.1 還需要一個新的搜索架構嗎？ 183

10.1.1 傳統搜索架構 184

10.1.2 什麽是格羅弗搜索算法？ 185

10.2 經典搜索問題 185

10.2.1 通用的準備工作 187

10.2.2 搜索列表 188

10.2.3 利用函數搜索 190

10.3 量子搜索：利用格羅弗搜索算法 192

10.4 概率與幅值 194

10.4.1 概率 194

10.4.2 幅值 195

10.5 格羅弗搜索背後的算法 197

10.5.1 運行示例代碼 197

10.5.2 疊加態 199

10.5.3 量子諭示 200

10.5.4 格羅弗擴散算子：提高概率 204

10.6 結論 205

本章小結 206

 

第 11章 舒爾算法 207

11.1 一個小示例 208

11.2 營銷炒作 208

11.3 經典分解和量子分解 209

11.4 一個跨領域問題 210

11.5 問題描述 211

11.6 舒爾算法背後的基本原理 213

11.6.1 周期函數 213

11.6.2 解決一個不同的問題 214

11.6.3 求周期的經典方法 217

11.6.4 後處理步驟 218

11.7 基於量子的實現 221

11.8 利用量子邏輯門創建周期函數 223

11.8.1 流程與電路 223

11.8.2 步驟 225

11.9 求周期 226

11.10 實現中的挑戰 226

本章小結 227

 

附錄A Strange入門 229

A.1 環境要求 229

A.2 獲取和安裝示例代碼 230

A.3 HelloStrange程序 230

 

附錄B 線性代數 235

B.1 矩陣與向量的乘法 235

B.2 矩陣乘法 236

B.3 張量積 237