量子计算与编程入门

前言

  自量子计算研究受到广泛关注的几十年来，国内出版了一些量子计算相关的书籍，但内容较为单薄，涵盖内容并不全面，与当前量子计算行业真实的技术发展状况尚有一段距离，并不能给目标读者带来较高的阅读与学习价值。

  在量子计算研究进入发展快车道之际，集聚力量，重新编写出一套体系完整、内容全面、能够为新时期量子计算人才培养服务的专业教材，无论是从当前还是从未来来看，都是一件具有积极意义的工作。

  作为本源量子教材编写出版计划的第一册教材，书中对于量子计算的背景知识、量子计算数学基础、量子计算机硬件系统、量子算法与编程、量子计算前沿话题等都进行了清晰介绍。

  第一部分背景知识章节主要介绍了量子计算的发展现状以及量子力学的发展历史，通过了解量子计算的基本概念和量子计算软件，对量子计算入门起到导引作用。

  第二部分量子计算基础部分，从量子系统、观测量和计算基下的测量、复合系统与联合测量等量子计算基础理论的讲解，逐步带你进入量子计算世界。本章还介绍了量子逻辑门、量子线路、量子计算的if和while等内容。

  第三部分量子计算机硬件基础板块，主要解析本源量子基于量子计算研发的各种硬件产品。学完本章你将了解量子计算信号传输的重要性、量子计算控制系统的不可或缺性及量子计算芯片的基本情况。

  第四部分量子算法与编程深入介绍了量子算法的基础知识及运用。内容涵盖量子算法简介、量子—经典混合算法、几种主流的量子算法及本源自主研发的量子语言QRunes和量子编程软件QPanda2。

  第五部分介绍了量子计算的前沿话题，包括利用QPanda测试量子系统噪声、量子机器学习与量子神经网络、使用单振幅和部分振幅量子虚拟机、将量子程序编译到不同的量子芯片上等行业前沿知识。

  在附录中，编者收录了学习量子计算所需的基础数学内容和本源量子编程工具的安装与配置方法，期望为读者们学习量子计算与编程提供更多参考。

  尽管量子计算时代何时真正开始，还存在着所有类似叠加的不确定性，但必须承认，量子计算技术产生的成果正越来越多地应用到我们的生活之中。

  本源联合创始人郭光灿院士说：“要成为科学强国不是一代人的事，必须要有传承，这离不开量子信息人才的教育和培养。”希望本套教材的问世，能为量子计算教育事业的发展，为量子计算人才的培养，作出应有的贡献。

  著者

  2019年8月

第一章 背景知识

• 1.1 三问量子计算
  • 1.1.1 什么是量子计算
  • 1.1.2 为什么我们需要量子计算
  • 1.1.3 什么样的研究机构参与量子计算的研发
• 1.2 量子计算的发展历史
  • 1.2.1 量子力学的发展
  • 1.2.2 量子计算的发展
• 1.3 量子计算软件介绍
  • 1.3.1 量子语言
  • 1.3.2 量子软件开发包
  • 1.3.3 量子云平台

第二章 量子计算基础

• 2.1 量子力学基础理论
  • 2.1.1 量子系统
  • 2.1.2 观测量和计算基下的测量
  • 2.1.3 复合系统与联合测量
• 2.2 量子程序
  • 2.2.1 量子计算原理
  • 2.2.2 量子计算的 if 和 while

第三章 量子计算硬件基础

• 3.1 量子芯片
  • 3.1.1 超导量子芯片
  • 3.1.2 半导体量子芯片
  • 3.1.3 其他类型体系的量子计算体系
• 3.2 量子计算机硬件
  • 3.2.1 量子芯片支持系统
  • 3.2.2 量子计算机控制系统
• 3.3 量子计算机
  • 3.3.1 量子计算机整体架构
  • 3.3.2 量子程序架构（设备代码的架构）

第四章 量子算法与编程

• 4.1 量子软件开发环境
  • 4.1.1 QPanda
  • 4.1.2 QRunes
  • 4.1.3 本源量子云平台
• 4.2 量子算法简介
  • 4.2.1 概述
  • 4.2.2 量子—经典混合算法
• 4.3 Deutsch-Josza算法
  • 4.3.1 在本源量子云计算服务平台上实现D-J算法
  • 4.3.2 在QPanda上实现DJ算法
• 4.4 Grover算法
• 4.5 QAOA算法
  • 4.5.1 最大切割问题
  • 4.5.2 布尔可满足性问题
  • 4.5.3 组合最优化问题
  • 4.5.4 近似优化算法
  • 4.5.5 泡利算符
  • 4.5.6 哈密顿量
  • 4.5.7 算法原理
• 4.6 VQE算法
  • 4.6.1 计算化学
  • 4.6.2 量子化学
  • 4.6.3 量子化学模拟
  • 4.6.4 费米子的哈密顿量
  • 4.6.5 算法原理
  • 4.6.6 综合示例
• 4.7 Shor分解算法
  • 4.7.1 加密与解密
  • 4.7.2 RSA加密算法
  • 4.7.3 量子逻辑电路及量子傅里叶变换
  • 4.7.4 算法原理
  • 4.7.5 pyQPanda中的示例

第五章 量子计算前言话题

• 5.1 利用QPanda测试量子系统噪声
• 5.2 量子机器学习
• 5.3 使用单振幅和部分振幅量子虚拟机
  • 5.3.1 单振幅量子虚拟机
  • 5.3.2 部分振幅量子虚拟机
• 5.4 将量子程序编译到不同的量子芯片上

附录一 量子计算数学基础

• 1.1 概述
• 1.2 集合与映射
  • 1.2.1 集合的概念
  • 1.2.2 集合的关系
  • 1.2.3 集合的运算
  • 1.2.4 集合的运算法则
  • 1.2.5 映射
• 1.3 向量空间
  • 1.3.1 线性无关与基
  • 1.3.2 向量的内积
• 1.4 矩阵与矩阵的运算
  • 1.4.1 矩阵的概念
  • 1.4.2 矩阵的加法与乘法
  • 1.4.3 可逆矩阵和矩阵相似
• 1.5 矩阵的特征及矩阵
  • 1.5.1 矩阵的特征值与特征向量
  • 1.5.2 Hermite矩阵
  • 1.5.3 对易式与反对易式
• 1.6 矩阵的函数
• 1.7 线性算子与矩阵表示
  • 1.7.1 线性算子
  • 1.7.2 矩阵表示
  • 1.7.3 向量外积
  • 1.7.4 对角表示
  • 1.7.5 影算子

附录二 量子编程工具安装与配置

• 2.1 QPanda
• 2.2 pyQPanda
• 2.3 VQNet
  • 2.3.1 VQNet python包安装
  • 2.3.2 VQNet 的一个简单例子
• 2.4 Qurator
  • 2.4.1 设计思想
  • 2.4.2 准备工作
  • 2.4.3 快速入门
  • 2.4.4 功能介绍

附录三 量子化学工具的安装与使用

• 3.1 ChemiQ化学软件的安装
• 3.2 ChemiQ软件应用示例
• 3.3 ChemiQ接口介绍与使用
• 3.4 非梯度下降法实现VQE算法代码示例