編輯推薦

讀者對象：已經掌握量子力學基礎知識、想通過數值模擬學習量子電腦工作原理的所有讀者。

√用基本方程進行數值模擬，實踐性强

量子電腦涉及內容較多，對於那些已經瞭解量子電腦概念但又覺得量子電腦太抽象、難以深入學習的人來說，本書使用量子力學的基本方程薛定諤方程對量子電腦的基本要素進行數值模擬，以此來瞭解量子電腦的工作原理。

√生動角色對話引導，趣味性强

因為本書為前沿技術類圖書，而且量子計算、量子電腦涉及內容又較為枯燥，所以本書特別設定了“類比君”（學習角色）和“程式仙人”（教師角色）兩個角色，通過角色對話展開敘述，在一定程度上增强圖書的生動趣味性。

內容簡介

《14天自造量子計算機（Python版）》是一本用Python程式設計實現量子計算的計算機科學專業書籍，書中使用薛定諤方程對量子電腦的覈心知識點量子位、量子門和量子糾纏進行了數值模擬和模擬。 具體內容包括執行環境的準備、量子力學的基礎知識、計算自由空間中電子的運動、狄拉克 δ 函數的引入和使用、計算電子波包的運動、計算勢阱中電子的運動、在量子阱中施加靜電場的方法、計算施加靜電場後電子的運動、如何改進量子阱的形狀、對量子阱施加電磁波的方法、向量子阱注入電磁波的具體操作、如何實現一個量子位門、如何排列量子阱、計算雙量子阱的恒穩態、 計算雙量子阱的拉比振盪。

《14天自造量子計算機（Python版）》書中有詳細的公式推導及Python的程式設計實現過程，並通過兩個人物的對話連接上下文、提出問題、總結知識點等，適合有一定量子力學基礎，對量子計算、量子通信等量子資訊科學、計算機科學感興趣的所有人學習

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內容簡介

《量子計算公開課：從德謨克利特、計算複雜性到自由意志》由量子計算和理論計算機領域巨擘、2020年度ACM計算獎得主斯科特?阿倫森的課堂講義整理而成。作者將量子計算置於數學、計算科學、哲學等更廣闊的領域當中，談及計算理論、集合論、圖靈機、NP問題、隨機性、數學邏輯、量子計算、隱變量理論、人擇原理、自由意志、時間旅行和復雜性等多個話題。作者的思考深刻、發人深省，探討了量子計算對解決相關領域難題的重大意義，並試圖回答兩個問題：宇宙和物理世界是如何運作的？它們為什麼這樣運作？

《量子計算公開課：從德謨克利特、計算複雜性到自由意志》適合愛好科普的普通大眾讀者，尤其適合對物理學、計算機科學、數學、哲學等內容感興趣的讀者，計算理論、計算機科學、物理學和量子物理學的從業者或專業人士也可將本書作為參考讀物。

作者簡介

斯科特.阿倫森 / Scott Aaronson

在量子計算和理論計算機領域影響力巨大的學者。 2020年度ACM計算獎得主。現為得克薩斯大學奧斯汀分校講席教授，曾任教於麻省理工學院。主要研究領域為理論計算機科學。其研究興趣集中在探索量子計算機的能力和極限，以及更廣泛的計算複雜性理論。阿倫森畢業於康奈爾大學，獲得加州大學伯克利分校計算機科學博士學位。曾榮獲Tomassoni Chisesi物理學獎（2018年）、Simons研究員獎（2017年）、美國國家科學基金會的Alan T. Waterman獎（2012年）等獎項。

目錄

中文版序言v

致中國讀者ix

引言xi

第1章原子和虛空1

第2章集合6

一階邏輯規則7

關於非負整數的皮亞諾公理7

集合論的公理9

第3章哥德爾、圖靈和他們的小夥伴15

圖靈機16

額外補充23

第4章心智和機器25

第5章古複雜性38

第6章P、NP和它們的小夥伴47

第7章隨機性62

第8章密碼學80

密碼學81

偽亂數發生器83

單向函數86

公開金鑰密碼學87

第9章量子力學93

小於0%的可能性？ 95

混合態99

平方規則100

實數與複數102

線性106

第10章量子計算113

反算117

與經典複雜性類的關係118

量子計算和NP完全性問題124

量子計算和多世界126

第11章彭羅斯128

打開黑盒子130

冒險說些顯然的事133

所有人都瞄著這一整塊量子“肥肉”133

第12章退相干和隱變數137

進坑138

故事一退相干140

退相干和熱力學第二定律142

故事二隱變數145

“行不通”定理大薈萃148

隱變數的例子153

第13章證明160

何為一個證明？ 160

概率證明162

零知識證明163

PCP 166

類比隱變數理論的複雜性167

第14章量子態有多大？ 171

第15章量子計算十一詰185

第16章學習194

第17章互動式證明、電路下界及其他207

互動式證明208

新進展218

量子互動式證明221

第18章人擇原理趣談224

第19章自由意志244

第20章時間旅行258

第21章宇宙學和複雜度273

第22章問我什麼都行289

注釋306

致謝317

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編輯推薦

“廣袤的宇宙自帶計算的能力”。我們正在進入一個新的計算時代——量子計算！它將催生科學和技術上的新發現！

本書特色：

1.邏輯清晰，講解易懂

講解有特色，概念清晰，邏輯連貫，易學易懂，適合那些需要“惡補”線性代數的讀者學習使用，它能幫助更多的非量子計算專業人士跟上這一新興的領域。

2.知識豐富，適合系統化學習

本書包含大量的知識點、公式和練習，不僅適合產業界用於人才培訓，也適合高校用作相關專業的教材。

3.提供配套示例代碼和書中彩圖

內容簡介

本書的內容主要包括三部分。第一部分概述了量子計算和量子電路的基礎知識。第二部分重點介紹了量子硬件和量子計算算法的基本原理，並提供了多種量子計算方法的實用代碼。第三部分詳細介紹了掌握量子計算所需的數學工具，特別是把線性代數的核心概念和量子計算聯繫起來。此外，本書還介紹了**的變分和優化方法，討論了隨機電路採樣等前沿應用。

閱讀本書，讀者不僅能對量子計算的歷史和發展脈絡有清晰的認識，掌握量子計算的關鍵知識點，通過隨書代碼還能親自體驗量子編程，將量子計算的理論知識和動手實踐相結合。

本書配套提供代碼和習題，既可用於高校的教學，又可用於產業界的技術培訓。

作者簡介

Jack D. Hidary是Alphabet X（前身為Google X）的科學家，專注於人工智能和量子計算的研究。他和他的團隊為NISQ量子處理器開發和研究算法，並為量子計算創建新的軟件庫。在人工智能領域，他和他的團隊專注於基礎研究，如深度網絡的泛化以及應用人工智能技術等。

譯者簡介

姚鵬暉，南京大學計算機科學與技術系副教授，主要研究方向是量子信息與量子計算，在理論計算機科學會議和信息論期刊上發表多篇論文，並多次在量子信息國際會議上做學術報告。

欽明瓏，南京大學計算機科學與技術系博士研究生，研究方向為量子計算複雜性理論。

汪昌盛，南京大學計算機科學與技術系碩士研究生，研究方向為量子分佈式計算。

趙銘南，南京大學計算機科學與技術系博士研究生，研究方向為量子程序設計理論、去隨機化理論。

目錄

第一部分基礎知識

第1章疊加態、糾纏和可逆性3

第2章量子計算簡史9

第3章量子比特、運算元以及量測13

3.1量子運算元16

3.1.1一元運算元17

3.1.2二元運算元20

3.1.3三元運算元22

3.2與經典門的比較24

3.3量子運算元的通用性25

3.4 Gottesman-Knill和Solovay-Kitaev 25

3.5 Bloch球26

3.6量測公設26

3.7原地計算28

第4章複雜性理論31

4.1問題與算灋31

4.2時間複雜度32

4.3複雜性類33

4.4量子計算和Church-Turing論題35

第二部分硬體及其應用

第5章建造量子電腦39

5.1評估量子電腦40

5. 2中性原子41

5.3 NMR 42

5.4金剛石氮空位中心42

5.5光子學43

5.6自旋量子比特45

5.7超導量子比特46

5.8拓撲量子計算47

5.9離子阱47

5.10小結48

第6章量子電腦程式設計開發庫49

6.1量子電腦和量子計算模擬器50

6.2 Cirq 51

6.3 Qiskit 53

6.4 Forest 55

6.5量子開發套件57

6.6開發庫摘要59

6.6.1使用庫60

6.6.2其他開發庫60

6.7更多量副程式60

6.7.1 Bell態60

6.7.2含參門62

第7章隱形傳態、超密編碼與Bell不等式65

7.1量子隱形傳態65

7.2超密編碼68

7.3量子隱形傳態和超密通信的程式碼69

7.4 Bell不等式測試71

7.5小結75

第8章經典算灋：程式碼詳解77

8.1 Deutsch-Jozsa算灋79

8.2 Bernstein-Vazirani算灋85

8.3 Simon問題88

8.4量子傅裡葉變換89

8.5 Shor算灋92

8.5.1 RSA密碼92

8.5.2函數的週期92

8.5.3函數的週期作為大數分解算灋的輸入94

8.6 Grover算灋105

8.7小結108

第9章量子計算方法109

9.1變分量子本徵求解器109

9.1.1帶雜訊的VQE算灋113

9.1.2更複雜的擬設114

9.2量子化學115

9.3量子近似優化算灋（QAOA）120

9.4量子處理器上的機器學習129

9.5量子相位估計134

9.6解線性方程組139

9.6.1 HHL算灋的描述140

9.6.2 HHL算灋的示例實現142

9.7量子亂數生成器150

9.8量子行走151

9.9小結157

第10章應用和量子霸權159

10.1應用159

10.1.1量子類比和量子化學159

10.1.2從概率分佈中採樣160

10.1.3使用量子電腦加速線性代數領域的計算160

10.1.4優化160

10.1.5張量網絡160

10.2量子霸權160

10.2.1隨機電路採樣161

10.2.2其他證明量子霸權的問題164

10.2.3量子優勢164

10.3未來發展方向165

10.3.1量子糾錯165

10.3.2用量子電腦做物理165

10.4小結165

第三部分工具

第11章量子計算的數學工具I 169

11.1引言與自我測試169

11.2線性代數171

11.2.1向量及符號171

11.2.2向量的基本運算172

11.2.3向量的範數176

11.2.4點乘178

11.3複數與內積180

11.3.1複數180

11.3.2點積的推廣：內積181

11.3.3複數的極座標表示185

11.4矩陣初步192

11.4.1基本矩陣運算元192

11.4.2單位矩陣198

11.4.3轉置、共軛與迹199

11.4.4矩陣的指數函數205

11.5外積與張量積206

11.5.1外積：一種產生矩陣的運算206

11.5.2張量積207

11.6集合論209

11.6.1集合論基礎209

11.6.2笛卡兒積211

11.6.3關係和函數212

11.6.4函數的重要性質216

11.7線性變換的定義219

11.8從零開始構建向量空間221

11.8.1群221

11.8.2域226

11.8.3向量空間的定義230

11.8.4子空間232

11.9生成空間、線性無關性、基以及維數234

11.9.1生成空間234

11.9.2線性無關性235

11.9.3基以及維數237

11.9.4正交基239

第12章量子計算的數學工具II 241

12.1線性變換與矩陣241

12.2矩陣與運算元245

12.2.1行列式245

12.2.2行列式的幾何内容248

12.2.3矩陣求逆249

12.3本征向量和本征值255

12.4深入探究內積259

12.5厄米運算元261

12.5.1為什麼量測結果不能為複數262

12.5.2厄米運算元具有實本征值263

12.6酉運算元264

12.7直和與張量積265

12.7.1直和265

12.7.2張量積267

12.8希爾伯特空間269

12.8.1度量、柯西序列以及完備性269

12.8.2內積的公理化定義272

12.8.3希爾伯特空間的定義273

12.9用希爾伯特空間表示量子比特274

第13章量子計算的數學工具III 277

13.1布林函數277

13.2對數與指數278

13.3歐拉公式279

第14章量子運算元和覈心電路錶283

參考文獻287