从线性代数到量子计算

978-7-115-68210-9
作者: 裴灵
译者:
编辑: 单瑞婷

图书目录:

第 1 章 量子计算前奏:量子力学. .............................. 1

1.1 用线性代数打开量子力学 ..................................................................2

1.1.1 量子力学与经典力学 ....................................................................3

1.1.2 “薛定谔的猫”与叠加态 ..............................................................5

1.1.3 波函数 ..........................................................................................10

1.1.4 小结 ..............................................................................................14

1.2 测量、概率与“投影” ......................................................................14

1.2.1 量子力学中的测量 ......................................................................15

1.2.2 测量结果出现的概率 ..................................................................17

1.2.3 波函数的坍缩 ..............................................................................19

1.2.4 总概率的归一化 ..........................................................................20

1.2.5 在量子态上测量其他力学量 ......................................................22

1.2.6 小结 ..............................................................................................22

1.3 直观认识不确定性 ............................................................................23

1.3.1 光的单缝衍射实验与不确定性原理 ..........................................24

1.3.2 不确定性原理的“几何”解释 ..................................................25

1.3.3 位置- 动量不确定性 ..................................................................28

1.3.4 小结 ..............................................................................................31

1.4 自旋:通向量子计算的桥梁 ............................................................32

1.4.1 什么是自旋 ..................................................................................33

1.4.2 自旋的测量性质 ..........................................................................33

1.4.3 特殊方向自旋的量子态 ..............................................................37

1.4.4 布洛赫球与任意自旋态 ..............................................................40

*1.4.5 自旋态和波函数的关系 ............................................................47

1.4.6 小结 ..............................................................................................48

1.5 让量子态“动”起来 ........................................................................48

1.5.1 量子态的演化与薛定谔方程 ......................................................49

1.5.2 自旋态的时间演化 ......................................................................51

1.5.3 薛定谔方程的物理意义与解的结构 ..........................................52

1.5.4 小结 ..............................................................................................56

第 2 章 量子计算掠影. ..........................................58

2.1 经典计算机与通用计算 ....................................................................59

2.1.1 经典计算的通用性 ......................................................................60

2.1.2 有限位二进制函数的穷举 ..........................................................62

2.1.3 基本逻辑运算与逻辑门 ..............................................................64

2.1.4 通用计算与完全集 ......................................................................67

2.1.5 最小完全集 ..................................................................................71

2.1.6 小结 ..............................................................................................72

2.2 初识量子比特 ....................................................................................73

2.2.1 单量子比特 ..................................................................................73

2.2.2 多量子比特系统 ..........................................................................75

2.2.3 直积态与纠缠态 ..........................................................................76

2.2.4 多量子比特系统的测量 ..............................................................80

2.2.5 从物理角度认识纠缠态 ..............................................................83

2.2.6 小结 ..............................................................................................87

2.3 量子优越性如何实现 ........................................................................87

2.3.1 典型的量子计算过程 ..................................................................87

2.3.2 量子计算结果的输出方式 ..........................................................89

2.3.3 量子优越性的实现途径 ..............................................................91

2.3.4 初识量子电路 ..............................................................................96

2.3.5 小结 ..............................................................................................99

2.4 量子算法初体验 ................................................................................99

2.4.1 多伊奇算法 ................................................................................100

2.4.2 格罗弗算法 ................................................................................105

2.4.3 肖尔算法 .................................................................................... 111

2.4.4 小结 ............................................................................................ 113

第 3 章 数学准备.............................................. 114

3.1 向量与矩阵的快速回顾 .................................................................. 115

3.1.1 向量与向量空间 ........................................................................ 116

3.1.2 基底、投影与内积 .................................................................... 118

3.1.3 矩阵与变换 ................................................................................ 119

3.1.4 复合变换与矩阵乘法 ................................................................122

3.1.5 矩阵的可逆性 ............................................................................126

3.1.6 相似矩阵 ....................................................................................128

3.1.7 特征值与特征向量 ....................................................................131

3.1.8 正交变换与正交矩阵 ................................................................133

3.1.9 小结 ............................................................................................135

3.2 当线性代数遇上复数 ......................................................................135

3.2.1 复线性空间中的向量及其内积 ................................................136

3.2.2 复线性空间中的线性变换及矩阵 ............................................140

3.2.3 酉变换与酉矩阵 ........................................................................141

3.2.4 单量子比特的酉变换与泡利矩阵 ............................................142

3.2.5 小结 ............................................................................................146

3.3 向量与矩阵的张量积 ......................................................................146

3.3.1 向量的张量积 ............................................................................147

3.3.2 多量子比特系统状态的表示 ....................................................149

3.3.3 矩阵的张量积 ............................................................................152

*3.3.4 波函数与自旋态的张量积 ......................................................156

3.3.5 小结 ............................................................................................157

第 4 章 量子门与量子电路. .................................. 158

4.1 单量子比特门:量子比特的“独舞” ............................................159

4.1.1 单量子比特门的一般形式 ........................................................160

4.1.2 X 门 ............................................................................................161

4.1.3 相位门和 Z 门 ............................................................................162

4.1.4 阿达玛门 ....................................................................................164

4.1.5 单量子比特门的组合 ................................................................167

4.1.6 小结 ............................................................................................172

4.2 受控门:量子比特的“互动” ........................................................173

4.2.1 什么是受控门? ........................................................................173

4.2.2 常用的双量子比特受控门 ........................................................176

4.2.3 常用的三量子比特受控门 ........................................................180

4.2.4 受控门的矩阵形式 ....................................................................182

4.2.5 受控门矩阵的一般构造规则 ....................................................185

4.2.6 小结 ............................................................................................188

4.3 量子电路的“看图计算” ................................................................188

4.3.1 利用变换规则计算 ....................................................................189

4.3.2 利用变换矩阵计算 ....................................................................191

4.3.3 等效量子电路 ............................................................................195

4.3.4 量子电路中的“信息转移”

......................................................198

4.3.5 量子电路的仿真 ........................................................................201

4.3.6 小结 ............................................................................................202

4.4 量子门的通用性 ..............................................................................203

4.4.1 量子门为什么不同于经典逻辑门? ........................................204

4.4.2 经典计算的通用性能否实现? ................................................207

4.4.3 量子计算的通用性能否实现? ................................................209

4.4.4 小结 ............................................................................................ 211

*4.5 量子门的物理实现 ........................................................................212

4.5.1 拉莫尔进动与自旋态变换 ........................................................212

4.5.2 量子门的核磁共振方案 ............................................................214

4.5.3 多量子比特门的实现案例 ........................................................217

4.5.4 小结 ............................................................................................218

第 5 章 基础量子算法. ........................................220

5.1 格罗弗算法 ......................................................................................222

5.1.1 背景与思路的回顾 ....................................................................222

5.1.2 旋转变换的分解 ........................................................................226

5.1.3 格罗弗算法的量子电路 ............................................................230

5.1.4 多解情形的格罗弗算法 ............................................................234

5.1.5 小结 ............................................................................................239

5.2 量子相位估计算法 ..........................................................................239

5.2.1 背景介绍 ....................................................................................240

5.2.2 量子相位估计算法的思路 ........................................................241

5.2.3 量子相位估计算法的步骤 ........................................................242

5.2.4 量子相位估计算法的量子电路 ................................................248

5.2.5 小结 ............................................................................................251

5.3 基于概率输出的量子算法 ..............................................................251

5.3.1 背景介绍 ....................................................................................251

5.3.2 SWAP 测试 ................................................................................252

5.3.3 阿达玛测试 ................................................................................256

5.3.4 小结 ............................................................................................259

第 6 章 量子算法的应用. ..................................... 261

6.1 更快的搜索与优化 ..........................................................................262

6.1.1 格罗弗算法与数据搜索 ............................................................262

6.1.2 格罗弗算法与全局寻优 ............................................................268

6.1.3 小结 ............................................................................................270

6.2 破解密码的“神器” ........................................................................270

6.2.1 RSA 加密算法简介 ...................................................................271

6.2.2 数论知识补遗 ............................................................................279

6.2.3 肖尔算法的思路 ........................................................................281

6.2.4 肖尔算法的后处理 ....................................................................286

6.2.5 小结 ............................................................................................286

6.3 线性方程组的快速求解 ..................................................................286

6.3.1 HHL 算法的理论基础 ..............................................................287

6.3.2 HHL 算法的主要步骤 ..............................................................289

6.3.3 小结 ............................................................................................294

6.4 量子机器学习案例 ..........................................................................295

6.4.1 机器学习中的量子计算 ............................................................296

6.4.2 支持向量机 ................................................................................297

6.4.3 量子支持向量机的训练过程 ....................................................299

6.4.4 量子支持向量机的预测过程 ....................................................302

6.4.5 小结 ............................................................................................306

6.5 量子化学模拟 ..................................................................................307

6.5.1 量子化学要计算什么 ................................................................307

6.5.2 怎样计算基态能量:经典算法 ................................................310

6.5.3 怎样计算基态能量:量子算法 ................................................317

6.5.4 小结 ............................................................................................321

6.6 NISQ 与变分量子算法简介 ............................................................322

6.6.1 背景介绍 ....................................................................................322

6.6.2 变分简介 ....................................................................................323

6.6.3 变分量子算法的基本思路 ........................................................326

6.6.4 变分量子特征值求解器 ............................................................328

6.6.5 能量期望值的求解 ....................................................................329

6.6.6 小结 ............................................................................................331

详情

本书主要介绍量子计算的原理、著名算法及相关应用,旨在通过细致的讲解和直观的类比,降低量子计算的入门难度,帮助读者快速了解量子算法的典型应用思路、量子优越性的实现途径及量子算法的应用场景,为进一步学习奠定基础。 本书共6章,第1章介绍量子计算的物理基础,即量子力学;第2章概括性介绍量子计算的基本原理及著名量子算法;第3章介绍量子计算所需的数学基础;第4章介绍量子门与量子电路;第5章介绍几个基础量子算法;第6章介绍量子算法的实际应用场景。 本书适合具有一定大学数学基础,特别是线性代数基础,且对量子计算感兴趣的读者阅读。

图书摘要

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