圖解量子電腦入門：8堂基礎課程+必懂關鍵詞解說，從計算原理到實務應用、通訊到演算，破解讓人類大躍進的科技新浪潮

宇津木健（Takeru Utsugi）

1987年10月  生於日本埼玉縣
2003年4月―2006年3月  埼玉縣立松山高校理數科
2006年4月  就讀東京工業大學第5類
2007年10月―2008年9月  為了成為搞笑藝人而休學但失敗告終
2011年9月  東京工業大學工學部電氣電子工學科畢業
2013年3月  東京工業大學研究所綜合理工學研究科（山口雅浩研究室）畢業
2013年4月  任職株式會社日立製作所
2018年4月  就讀早稻田大學研究所理工學術院先進理工學研究科（青木隆朗研究室）（在職博士課程）
2019年3月  隸屬株式會社日立製作所研究開發團隊

就讀東京工業大學研究所時進行全息顯示技術（holographic display）等光資訊工學研究，並於企業裡從事光學技術研究開發，大學時代即對量子電腦感興趣，目前每個月都在東京都主辦「量子資訊讀書會」。

德永裕己／監修（Yuuki Tokunaga）

1999年  京都大學綜合人類學部畢業
2001年  東京大學研究所理學系研究科碩士課程修畢
         任職日本電信電話株式會社（NTT）
2007年  大阪大學研究所基礎工學研究科博士課程修畢，取得博士（理學）學位
2019年  日本電信電話株式會社Secure Platform研究所特別研究員

從事量子資訊技術研究。從基於量子光學的物理實作面到錯誤更正符號等計算機科學面向，廣泛進行朝向實現量子資訊技術的研究。

前言
 
【第1章】  量子電腦入門
 
1.1　量子電腦是什麼？
1.1.1　所謂計算是什麼？
1.1.2　電腦的局限
1.1.3　所謂量子電腦是什麼？
1.1.4　量子電腦與古典電腦
1.1.5　量子電腦的種類
1.1.6　量子計算模型的種類
 
1.2　 量子電腦的基礎
1.2.1　量子電腦的運作流程
1.2.2　量子電腦的開發路線圖
1.2.3　從范紐曼架構到非范紐曼架構電腦
1.2.4　非古典電腦
1.2.5　非通用量子電腦
1.2.6    NISQ
1.2.7    通用量子電腦
 
1.3　量子電腦的遠景
1.3.1　量子電腦的現況
1.3.2　量子電腦的用途
1.3.3   未來計算機環境的想像
 
【第2章】  對量子電腦的期待
 
2.1  古典電腦不擅長的問題為何？
2.1.1　可在多項式時間內解決的問題
2.1.2　尚未找到多項式時間解法的問題
 
2.2　量子電腦擅長的問題為何？
2.2.1　量子電腦可發揮長處的問題
2.2.2　期待不久的將來可達成的效果
 
2.3　受到矚目的背景

【第3章】  量子位元
 
3.1　古典位元與量子位元
3.1.1　古典電腦的資訊最小單位「古典位元」
3.1.2　量子電腦的資訊最小單位「量子位元」
3.1.3　疊加態的表示法
3.1.4　量子位元的測量
3.1.5　箭號的投影與測量機率
 
3.2　量子力學與量子位元
3.2.1　古典物理學與量子物理學
3.2.2　古典計算與量子計算
3.2.3　量子力學的開端：電子與光
3.2.4   波的性質與粒子的性質
3.2.5   量子位元的波與粒子的性質
3.2.6   量子位元的測量機率
 
3.3　量子位元的表示法
3.3.1　表示量子態的符號（狄拉克符號）
3.3.2　表示量子態的圖（布洛赫球）
3.3.3　以波表示量子位元
3.3.4　多個量子位元的表示法
3.3.5　總結
 
【第4章】  量子閘入門
 
4.1　量子閘是什麼？
4.1.1　古典電腦：邏輯閘
4.1.2   量子電腦：量子閘
4.1.3   單一量子位元閘
4.1.4   多量子位元閘
 
4.2　量子閘的運作
4.2.1　 X閘（位元反轉閘）
4.2.2　 Z閘（相位反轉閘）
4.2.3    H閘（哈達馬閘）
4.2.4    作用於雙量子位元的CNOT閘（受控反閘）
4.2.5    使用H閘與CNOT閘的量子纏結態生成
4.2.6    測量（依計算基底的測量）
4.2.7    量子纏結態的性質
 
4.3　量子閘的組合
4.3.1　SWAP電路
4.3.2　加法電路
4.3.3　使用加法電路的平行計算
4.3.4　可逆計算

【第5章】  量子電路入門
 
5.1　量子遙傳
5.1.1　狀況設定
5.1.2　量子纏結態的雙量子位元
5.1.3　量子遙傳
5.1.4   以量子電路表現
5.1.5   量子遙傳的特徵
 
5.2　高速計算的機制
5.2.1　波的干涉
5.2.2　同時維持所有狀態：疊加態
5.2.3   機率幅的增幅與結果的測量
5.2.4   量子電腦高速計算範例：發現隱藏週期性
5.2.5   量子纏結態
5.2.6   總結

【第6章】  量子演算法入門
 
6.1　量子演算法的現況
 
6.2　Grover演算法（格魯弗演算法）
6.2.1　概要
6.2.2　量子電路
 
6.3  Shor演算法（秀爾演算法）
6.3.1　概要
6.3.2　計算方法
 
6.4　量子古典混合演算法
6.4.1　量子化學計算
6.4.2   VQE（變分量子特徵值求解演算法）
 
6.5　圍繞量子電腦的系統

【第7章】  量子退火
 
7.1  Ising模型（易辛模型）
7.1.1　自旋與量子位元
7.1.2　在Ising模型的交互作用
7.1.3   不穩定的狀態，阻挫
7.1.4   Ising模型的能量
7.1.5   找出Ising模型基底態的問題
 
7.2　組合最佳化問題與量子退火
7.2.1　什麼是組合最佳化問題？
7.2.2　用於組合最佳化的Ising模型
7.2.3　組合最佳化問題的框架
7.2.4　組合最佳化問題的解法
 
7.3　模擬退火
7.3.1　Ising模型基底態的探索
7.3.2   能量景觀
7.3.3   梯度下降法與區域最小值
7.3.4   模擬退火
 
7.4　量子退火
7.4.1　量子退火的定位
7.4.2   量子退火的計算方法1：初始化
7.4.3   量子退火的計算方法2：退火操作
7.4.4   突破能量的壁壘
7.4.5   量子退火快上1億倍？
7.4.6   量子退火機的實際狀況
 
【第8章】  量子位元的製作方法
 
8.1　量子電腦的性能指標
 
8.2　量子位元的實現方式
 
8.3　超導電路
8.3.1　以超導電路實現量子位元
8.3.2　約瑟芬接合
8.3.3   transmon與磁通量量子位元
8.3.4   NISQ的量子霸權實證
 
8.4　離子阱╱冷卻原子
8.4.1　使用離子阱的量子位元
8.4.2　使用冷卻中性原子的量子位元
 
8.5　半導體量子點
 
8.6　鑽石NV中心
 
8.7　使用光的量子位元
8.7.1　使用光子的量子計算
8.7.2　使用連續量的量子計算
 
8.8　拓撲超導體
 
結語
 
COLUMN
通往量子電腦誕生之路
計算量理論
量子錯誤更正
何謂量子計算的通用性？
量子力學測量的不可思議
量子電路模型以外的量子計算模型
量子退火機以外的退火機
純粹態與混合態
量子電腦計算方法總結