本書(shū)使用Qiskit開(kāi)源框架和IBM Quantum Experience平臺(tái)搭建一個(gè)量子計(jì)算平臺(tái)，并借助Python來(lái)介紹實(shí)現(xiàn)量子編程的方法。
本書(shū)內(nèi)容由淺入深，從搭建編程環(huán)境并編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的量子程序開(kāi)始，介紹如何使用Python編寫簡(jiǎn)單的腳本，Qiskit和IBM Quantum Experience進(jìn)行交互的方法，概率計(jì)算、疊加和糾纏等基本概念，影響量子程序輸出結(jié)果的各種物理因素，Qiskit量子門資源庫(kù)，使用Aer模擬量子計(jì)算機(jī)，使用Ignis清理量子操作，Grover搜索算法，以及使用Aqua運(yùn)行Grover算法和Shor算法等重要內(nèi)容。
本書(shū)能夠幫助讀者學(xué)會(huì)使用Qiskit和IBM Quantum Experience，同時(shí)結(jié)合Python編程實(shí)踐來(lái)實(shí)現(xiàn)量子比特的可視化并深入理解量子門、貝爾態(tài)、量子線路等概念，進(jìn)一步掌握在實(shí)踐中使用量子算法的方法。
1.內(nèi)容匯集作者多年工作經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，專業(yè)可靠，而且緊貼實(shí)際應(yīng)用需求。
2.深入淺出的量子計(jì)算入門：從基礎(chǔ)概念出發(fā)，通過(guò)簡(jiǎn)單的代碼示例和直觀的解釋，幫助讀者快速理解量子計(jì)算的基本原理。
3.書(shū)中避免復(fù)雜的理論框架，聚焦實(shí)際的編程實(shí)踐和問(wèn)題解決，即使沒(méi)有深厚的物理背景也能輕松入門。
4.全面覆蓋Qiskit工具包：深入探討了Qiskit工具包的各個(gè)組成部分，包括Terra、Aer、Ignis和Aqua，并詳細(xì)講解了它們的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。讀者將能夠全面掌握量子程序的開(kāi)發(fā)流程，從編寫量子線路到優(yōu)化量子算法，再到在真實(shí)硬件上運(yùn)行和測(cè)試程序。
5.書(shū)中還詳細(xì)介紹了如何使用預(yù)封裝的量子算法，并通過(guò)實(shí)現(xiàn)Grover算法等案例，展示了量子算法與傳統(tǒng)算法的不同之處，使得讀者能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的解決中。
[美]哈西·諾倫（Hassi Norlén），IBM沃森物聯(lián)網(wǎng)解決方案的首席信息開(kāi)發(fā)人員，致力于沃森物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。擁有超過(guò)15年工作經(jīng)驗(yàn)，曾負(fù)責(zé)過(guò)Web內(nèi)容管理、大數(shù)據(jù)分析、傳感器和IoT、量子計(jì)算等多領(lǐng)域工作。
第 1章 搭建編程環(huán)境 1
1.1 技術(shù)要求 1
1.2 創(chuàng)建IBM Quantum Experience賬號(hào) 2
1.2.1 準(zhǔn)備工作 2
1.2.2 操作步驟 3
1.2.3 參考資料 4
1.3 安裝Qiskit 4
1.3.1 準(zhǔn)備工作 4
1.3.2 操作步驟 4
1.3.3 知識(shí)拓展 6
1.3.4 參考資料 6
1.4 下載示例代碼 7
1.4.1 準(zhǔn)備工作 7
1.4.2 操作步驟 7
1.4.3 運(yùn)行原理 10
1.5 安裝API密鑰并訪問(wèn)提供服務(wù)的量子計(jì)算機(jī) 11
1.5.1 準(zhǔn)備工作 11
1.5.2 操作步驟 11
1.5.3 運(yùn)行原理 12
1.5.4 知識(shí)拓展 12
1.6 及時(shí)更新Qiskit環(huán)境 13
1.6.1 準(zhǔn)備工作 13
1.6.2 操作步驟 14
1.6.3 運(yùn)行原理 15
第 2章 基于Python的量子計(jì)算和量子比特 17
2.1 技術(shù)要求 17
2.2 比較經(jīng)典比特和量子比特 18
2.2.1 準(zhǔn)備工作 18
2.2.2 操作步驟 18
2.2.3 運(yùn)行原理 20
2.2.4 參考資料 23
2.3 使用Python將量子比特可視化 23
2.3.1 準(zhǔn)備工作 25
2.3.2 操作步驟 25
2.3.3 知識(shí)拓展 28
2.3.4 參考資料 29
2.4 量子門簡(jiǎn)介 29
2.4.1 準(zhǔn)備工作 30
2.4.2 操作步驟 30
2.4.3 運(yùn)行原理 32
2.4.4 知識(shí)拓展 36
2.4.5 參考資料 39
第3章 IBM Quantum Experience ——拖放式量子編程 40
3.1 技術(shù)要求 40
3.2 IBM Quantum Experience簡(jiǎn)介 41
3.2.1 Results 42
3.2.2 Circuit Composer 43
3.2.3 Quantum Lab 45
3.3 使用Circuit Composer搭建量子樂(lè)譜 46
3.3.1 操作步驟 46
3.3.2 知識(shí)拓展 50
3.4 量子拋硬幣實(shí)驗(yàn) 52
3.4.1 操作步驟 52
3.4.2 知識(shí)拓展 55
3.5 不同軟件之間的交互 58
3.5.1 準(zhǔn)備工作 58
3.5.2 操作步驟 59
3.5.3 運(yùn)行原理 62
3.5.4 知識(shí)拓展 63
3.5.5 參考資料 64
第4章 從Terra入門 65
4.1 技術(shù)要求 66
4.2 創(chuàng)建一個(gè)Qiskit量子程序 66
4.2.1 所需的類、模塊和函數(shù) 66
4.2.2 使用量子寄存器和經(jīng)典寄存器 67
4.2.3 理解量子線路 67
4.2.4 選擇運(yùn)行所需的后端 67
4.2.5 以作業(yè)形式運(yùn)行量子線路 67
4.2.6 接收作業(yè)的結(jié)果 68
4.3 再談量子拋硬幣 68
4.3.1 準(zhǔn)備工作 69
4.3.2 操作步驟 69
4.3.3 運(yùn)行原理 71
4.4 獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)——連續(xù)多次拋硬幣 72
4.4.1 準(zhǔn)備工作 72
4.4.2 操作步驟 73
4.4.3 運(yùn)行原理 74
4.4.4 知識(shí)拓展 74
4.5 交換所拋硬幣的正反面 75
4.5.1 準(zhǔn)備工作 75
4.5.2 操作步驟 75
4.5.3 運(yùn)行原理 77
4.5.4 知識(shí)拓展 77
4.6 同時(shí)拋兩枚硬幣 78
4.6.1 準(zhǔn)備工作 78
4.6.2 操作步驟 78
4.6.3 運(yùn)行原理 80
4.6.4 知識(shí)拓展 80
4.7 拋硬幣中的量子作弊——貝爾態(tài)簡(jiǎn)介 80
4.7.1 準(zhǔn)備工作 81
4.7.2 操作步驟 81
4.7.3 運(yùn)行原理 83
4.7.4 知識(shí)拓展 84
4.7.5 參考資料 84
4.8 其他量子作弊方法——調(diào)整賠率 84
4.8.1 準(zhǔn)備工作 84
4.8.2 操作步驟 85
4.8.3 運(yùn)行原理 86
4.8.4 知識(shí)拓展 88
4.9 拋更多的硬幣——直接方法和作弊方法 89
4.9.1 準(zhǔn)備工作 89
4.9.2 操作步驟 89
4.9.3 運(yùn)行原理 92
4.9.4 知識(shí)拓展 92
4.10 拋實(shí)體硬幣 92
4.10.1 準(zhǔn)備工作 93
4.10.2 操作步驟 93
4.10.3 運(yùn)行原理 95
4.10.4 知識(shí)拓展 95
第5章 使用Qiskit工具訪問(wèn)IBM Quantum硬件 98
5.1 技術(shù)要求 98
5.2 什么是IBM Quantum機(jī)器 99
5.2.1 準(zhǔn)備工作 99
5.2.2 操作步驟 99
5.2.3 運(yùn)行原理 101
5.2.4 參考資料 101
5.3 定位到可用的后端 101
5.3.1 準(zhǔn)備工作 102
5.3.2 操作步驟 102
5.3.3 知識(shí)拓展 105
5.3.4 參考資料 105
5.4 比較后端 105
5.4.1 準(zhǔn)備工作 106
5.4.2 操作步驟 106
5.4.3 知識(shí)拓展 109
5.5 查詢最空閑的后端 110
5.5.1 準(zhǔn)備工作 110
5.5.2 操作步驟 110
5.6 使后端可視化 112
5.6.1 準(zhǔn)備工作 113
5.6.2 操作步驟 113
5.6.3 知識(shí)拓展 115
5.6.4 參考資料 117
5.7 使用Qiskit探索選定的后端 117
5.7.1 準(zhǔn)備工作 118
5.7.2 操作步驟 118
5.7.3 參考資料 121
第6章 Qiskit量子門資源庫(kù)簡(jiǎn)介 123
6.1 技術(shù)要求 124
6.2 使量子門可視化 124
6.2.1 準(zhǔn)備工作 124
6.2.2 操作步驟 126
6.2.3 運(yùn)行原理 129
6.2.4 參考資料 132
6.3 使用泡利X門、泡利Y門和泡利Z門翻轉(zhuǎn)量子比特 132
6.3.1 操作步驟 132
6.3.2 知識(shí)拓展 133
6.4 使用H門創(chuàng)建量子疊加 134
6.4.1 操作步驟 135
6.4.2 知識(shí)拓展 136
6.4.3 參考資料 136
6.5 使用量子相移門S、S 、T和T 將量子比特繞z軸旋轉(zhuǎn) 136
6.5.1 操作步驟 137
6.5.2 知識(shí)拓展 138
6.6 使用Rx門、Ry門和Rz門將量子比特繞任意坐標(biāo)軸自由旋轉(zhuǎn) 138
6.6.1 操作步驟 139
6.6.2 知識(shí)拓展 140
6.7 使用基本量子門U1、U2、U3和ID搭建量子線路 140
6.7.1 U3量子門 141
6.7.2 U2量子門 141
6.7.3 U1量子門 141
6.7.4 準(zhǔn)備工作 142
6.7.5 操作步驟 142
6.7.6 知識(shí)拓展 145
6.8 雙量子比特門 146
6.8.1 準(zhǔn)備工作 146
6.8.2 操作步驟 147
6.8.3 運(yùn)行原理 148
6.8.4 知識(shí)拓展 149
6.8.5 參考資料 149
6.9 多量子比特門 149
6.9.1 操作步驟 150
6.9.2 知識(shí)拓展 152
6.10 量子線路的真面目 154
6.10.1 準(zhǔn)備工作 155
6.10.2 操作步驟 157
6.10.3 知識(shí)拓展 159
第7章 使用Aer模擬量子計(jì)算機(jī) 166
7.1 技術(shù)要求 167
7.2 了解量子模擬器的用法 167
7.2.1 準(zhǔn)備工作 167
7.2.2 操作步驟 167
7.2.3 知識(shí)拓展 171
7.2.4 參考資料 171
7.3 比較Qiskit Aer模擬器和IBM量子計(jì)算機(jī) 172
7.3.1 準(zhǔn)備工作 172
7.3.2 操作步驟 172
7.3.3 運(yùn)行原理 173
7.3.4 知識(shí)拓展 176
7.3.5 參考資料 176
7.4 將IBM Quantum后端的噪聲配置文件添加到本地模擬器中 178
7.4.1 準(zhǔn)備工作 178
7.4.2 操作步驟 178
7.4.3 參考資料 184
7.5 使用幺正模擬器加深對(duì)量子線路的理解 184
7.5.1 準(zhǔn)備工作 185
7.5.2 操作步驟 185
7.6 使用態(tài)矢量模擬器進(jìn)行診斷 188
7.6.1 準(zhǔn)備工作 192
7.6.2 操作步驟 193
7.6.3 知識(shí)拓展 199
第8章 使用Ignis清理量子操作 200
8.1 技術(shù)要求 200
8.2 探索量子比特，理解T1、T2、誤差和量子門 201
8.2.1 準(zhǔn)備工作 201
8.2.2 操作步驟 203
8.2.3 運(yùn)行原理 205
8.2.4 知識(shí)拓展 206
8.3 比較同一塊芯片上的量子比特 208
8.3.1 準(zhǔn)備工作 208
8.3.2 操作步驟 211
8.3.3 知識(shí)拓展 215
8.3.4 參考資料 215
8.4 估算可用時(shí)間內(nèi)的量子門的數(shù)量 215
8.4.1 準(zhǔn)備工作 216
8.4.2 操作步驟 219
8.4.3 知識(shí)拓展 222
8.4.4 參考資料 225
8.5 用讀出校正來(lái)糾正預(yù)期結(jié)果 225
8.5.1 準(zhǔn)備工作 226
8.5.2 操作步驟 228
8.6 用量子糾錯(cuò)減輕意外情況造成的影響 230
8.6.1 準(zhǔn)備工作 231
8.6.2 操作步驟 235
8.6.3 運(yùn)行原理 238
8.6.4 知識(shí)拓展 242
8.6.5 參考資料 242
第9章 Grover搜索算法 243
9.1 技術(shù)要求 243
9.2 了解量子相位反沖 244
9.2.1 準(zhǔn)備工作 245
9.2.2 操作步驟 245
9.3 經(jīng)典搜索算法簡(jiǎn)介 252
9.3.1 準(zhǔn)備工作 252
9.3.2 操作步驟 252
9.4 搭建Grover搜索算法 254
9.4.1 準(zhǔn)備工作 255
9.4.2 操作步驟 260
9.4.3 知識(shí)拓展 268
9.4.4 參考資料 269
9.5 使用3量子比特Grover算法進(jìn)行搜索 270
操作步驟 270
9.6 在Grover搜索過(guò)程中加入更多量子比特 274
9.6.1 準(zhǔn)備工作 275
9.6.2 操作步驟 276
9.6.3 知識(shí)拓展 281
9.7 在代碼中使用Grover量子線路 282
9.7.1 準(zhǔn)備工作 282
9.7.2 操作步驟 282
9.7.3 知識(shí)拓展 283
第 10章 使用Aqua了解算法 284
10.1 技術(shù)要求 284
10.2 以Aqua函數(shù)的形式運(yùn)行Grover算法 284
10.2.1 準(zhǔn)備工作 285
10.2.2 操作步驟 285
10.2.3 運(yùn)行原理 290
10.2.4 知識(shí)拓展 290
10.3 以Aqua函數(shù)的形式運(yùn)行Shor算法 293
10.3.1 準(zhǔn)備工作 294
10.3.2 操作步驟 294
10.3.3 知識(shí)拓展 297
10.3.4 參考資料 298
10.4 了解Aqua中的更多算法 298
10.4.1 準(zhǔn)備工作 299
10.4.2 操作步驟 299
10.4.3 知識(shí)拓展 300
10.4.4 參考資料 300
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