圖解量子電腦

宇津木健（著）

1987年出生於日本埼玉縣。 2013年碩士畢業於東京工業大學，研究方向為物理資訊系統。同年，入職日立製作所，從事光學研發工作。自大學時期起，就對量子電腦抱持濃厚興趣，並於2018年進入早稻田大學攻讀博士學位，從事量子電腦相關研究。目前，每個月都會在東京組織量子資訊學習小組的活動。

德永裕己（審）

2001年碩士畢業於東京大學理學系研究科。 2007年博士畢業於大阪大學基礎工學研究科。 2019年至今在日本NTT公司安全平臺實驗室擔任特別研究員，從事量子資訊科技的研究工作。研究內容既包含基於量子光學的硬件製造，也包含糾錯碼設計等電腦科學相關技術。

胡屹（譯）

Web後端工程師、技術圖書譯者。譯有《電腦是怎麼跑起來的》《自製搜尋引擎》和《圖解雲端運算架構：基礎設施和API》。

第 1章　量子電腦入門 1

1.1　量子電腦是什麼 2

1.1.1　何為計算 2

1.1.2　電腦的極限 3

1.1.3　量子電腦是什麼 4

1.1.4　量子電腦與經典電腦 5

1.1.5　量子電腦的類型 6

1.1.6　量子計算模型的類型 8

1.2　量子電腦的基礎 10

1.2.1　量子電腦的操作流程 10

1.2.2　量子電腦的研發路線圖 11

1.2.3　從馮·諾依曼電腦到非馮·諾依曼電腦 13

1.2.4　非經典電腦 14

1.2.5　非通用量子電腦 15

1.2.6　NISQ 16

1.2.7　通用量子電腦 17

1.3　量子電腦的未來 19

1.3.1　量子電腦的現狀 19

1.3.2　量子電腦的使用方法 20

1.3.3　展望未來的計算環境 21

 

 

第 2章　對量子電腦的展望 25

2.1　經典電腦面臨的棘手問題 26

2.1.1　可在多項式時間內求解的問題 26

2.1.2　在多項式時間內無法求解的問題 27

2.2　量子電腦可以大顯身手的問題 29

2.2.1　哪些問題可以讓量子電腦大顯身手 29

2.2.2　對效果的展望 29

2.3　量子電腦備受矚目的背景 33

 

第3章　量子比特 37

3.1　經典比特和量子比特 38

3.1.1　經典比特是經典電腦中的最小信息單位 38

3.1.2　量子比特是量子電腦中的最小信息單位 40

3.1.3　疊加態的表示方法 40

3.1.4　測量量子比特 42

3.1.5　箭頭的投影與測量概率 43

3.2　量子力學和量子比特 46

3.2.1　經典物理學和量子力學 46

3.2.2　經典計算和量子計算 47

3.2.3　量子力學的開端：電子和光 47

3.2.4　波動性和粒子性 49

3.2.5　量子比特的波動性和粒子性 51

3.2.6　量子比特的測量概率 52

3.3　如何表示量子比特 54

3.3.1　表示量子態的符號（狄拉克符號） 54

3.3.2　表示量子態的圖形（布洛赫球） 55

3.3.3　使用波表示量子比特 56

3.3.4　多個量子比特的表示方法 58

3.3.5　小結 60

 

第4章　量子門入門 63

4.1　量子門 64

4.1.1　經典電腦：邏輯門 64

4.1.2　量子電腦：量子門 65

4.1.3　單量子比特門 65

4.1.4　多量子比特門 66

4.2　量子門的功能 68

4.2.1　X門（泡利-X門） 68

4.2.2　Z門（相位翻轉門） 69

4.2.3　H門（哈達瑪門） 70

4.2.4　作用於兩個量子比特的CNOT門 71

4.2.5　由H門和CNOT門產生的量子糾纏態 72

4.2.6　測量（基於計算基態的測量） 73

4.2.7　量子糾纏態的性質 75

4.3　量子門的組合 79

4.3.1　SWAP電路 79

4.3.2　加法電路 80

4.3.3　通過加法電路實現並行計算 81

4.3.4　可逆計算 82

 

第5章　量子電路入門 85

5.1　量子隱形傳態 86

5.1.1　情景設定 86

5.1.2　兩個量子比特的量子糾纏態 86

5.1.3　量子隱形傳態 88

5.1.4　使用量子電路表示量子隱形傳態 89

5.1.5　量子隱形傳態的特點 90

5.2　高速計算的機制 92

5.2.1　波的乾涉 92

5.2.2　同時保留所有狀態：疊加態 93

5.2.3　概率振幅的放大和結果的測量 94

5.2.4　 通過量子電腦提升計算速度：探測隱藏的周期性 96

5.2.5　量子糾纏態 98

5.2.6　小結 99

 

第6章　量子算法入門 103

6.1　量子算法的現狀 104

6.2　Grover算法 105

6.2.1　概述 105

6.2.2　量子電路 106

6.3　Shor算法 110

6.3.1　概述 110

6.3.2　計算方法 112

6.4　量子經典混合算法 114

6.4.1　量子化學計算 114

6.4.2　VQE 115

6.5　以量子電腦為中心的整個系統 117

 

第7章　量子退火 123

7.1　伊辛模型 124

7.1.1　自旋和量子比特 124

7.1.2　伊辛模型中的相互作用 125

7.1.3　不穩定狀態和阻挫 126

7.1.4　伊辛模型的能量 127

7.1.5　尋找伊辛模型基態過程中的問題 128

7.2　組合優化問題與量子退火 129

7.2.1　什麼是組合優化問題 129

7.2.2　用於求解組合優化問題的伊辛模型 130

7.2.3　組合優化問題的框架 130

7.2.4　組合優化問題的解法 131

7.3　模擬退火 133

7.3.1　尋找伊辛模型的基態 133

7.3.2　能量景貌 134

7.3.3　梯度下降法和局部最優解 135

7.3.4　模擬退火算法 136

7.4　什麼是量子退火 138

7.4.1　量子退火的定位 138

7.4.2　量子退火的計算方法（步驟1：初始化） 139

7.4.3　量子退火的計算方法（步驟2：退火操作） 140

7.4.4　穿越能量壁壘 141

7.4.5　量子退火的速度是模擬退火速度的1億倍嗎 142

7.4.6　量子退火電腦的實際情況 143

 

第8章　如何制備量子比特 147

8.1　量子電腦的性能指標 148

8.2　量子比特的實現方法 149

8.3　超導電路 152

8.3.1　使用超導電路實現量子比特 152

8.3.2　約瑟夫森結 152

8.3.3　傳輸子和磁通量子比特 153

8.3.4　通過NISQ證實量子霸權 155

8.4　囚禁離子和超冷原子 156

8.4.1　使用囚禁離子實現量子比特 156

8.4.2　使用超冷中性原子實現量子比特 157

8.5　半導體量子點 160

8.6　金剛石氮空位中心 161

8.7　使用光實現量子比特 163

8.7.1　使用光子進行量子計算 163

8.7.2　使用連續變量的量子計算 164

8.8　拓撲超導體 165

 

後記 170

參考文獻 171