量子计算导论(面向新工科专业建设计算机系列教材)
出版时间:
2021-08
版次:
1
ISBN:
9787302571551
定价:
59.00
装帧:
平装
开本:
16开
页数:
234页
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本书在全面介绍量子计算与量子信息理论中用到的量子力学、线性代数、计算复杂性理论等背景知识的基础上，着重介绍几个代表性的量子算法：Deutsch-Jozsa算法、simon算法、BV算法、Grover算法、量子傅里叶变换、HHL算法等。同时，也介绍量子计算与量子信息实际应用所涉及的一些问题，包括量子通信中的量子密钥分发与量子随机数，以及安全量子计算协议，并简单介绍几种未来量子计算机可能的物理实现形式。
全书共分3篇：第1篇（第1～4章）为基础知识背景篇，着重介绍量子计算与量子信息理论所用到的量子力学、线性代数、计算复杂性理论等背景知识；第2篇（第5～8章）为算法篇，着重介绍几个有代表性的量子算法，说明算法步骤，并对各个算法进行简单的分析；第3篇（第9～12章）为应用篇，介绍量子通信中的量子密钥分发与量子随机数、安全量子计算协议及几种未来量子计算机可能的物理实现形式。每章后均附有参考文献与习题。
本书由浅入深，从基础理论到前沿，具有系统性、交叉性、前沿性等特点，适合作为高等院校电子、通信、计算机、数学及信息类交叉学科专业高年级本科生、研究生的教材，同时也可供其他从事量子计算研究的研究人员参考。 翁健，暨南大学副校长，信息科学技术学院教授，从事密码学与信息安全领域研究，主讲智能计算和密码学导论等课程。现兼任科技部网络与信息安全专家组专家、国务院学位委员会网络空间安全学科评议组成员、教育部高等学校网络空间安全专业教学指导委员会委员、中共广东省委网络安全和信息化领导小组专家咨询委员会委员等。 第1章 绪论
1.1 引言
1.2 量子信息处理
1.3 量子算法简介
1.4 量子计算机
参考文献
第2章 量子力学引论
2.1 线性代数
2.1.1 向量
2.1.2 内积
2.1.3 线性算子与Pauli矩阵
2.1.4 伴随与Hermite算子
2.1.5 外积
2.1.6 张量积
2.1.7 对易式和反对易式
2.2 量子力学理论框架
2.2.1 量子力学基本假设
2.2.2 量子力学基本原理
2.3 量子比特
2.3.1 量子比特的数学表示
2.3.2 量子比特的Bloch球面表示
2.3.3 密度矩阵
2.4 量子测量
2.4.1 一般测量
2.4.2 投影测量
2.4.3 POVM
2.4.4 相位
2.5 量子纠缠
2.5.1 纠缠态与可分离态
2.5.2 纠缠交换
2.5.3 Bell不等式
习题
参考文献
第3章 计算复杂性
3.1 计算模型
3.1.1 图灵机
3.1.2 线路模型
3.2 计算复杂性类
3.2.1 P类和NP类
3.2.2 其他复杂性类
3.3 计算科学的发展与展望
习题
参考文献
第4章 量子计算模型
4.1 量子线路模型
4.1.1 单量子比特门
4.1.2 旋转算子的Clifford性质
4.1.3 具体的旋转算子分解形式
4.1.4 多量子比特门
4.1.5 通用量子门
4.2 其他量子计算模型
4.2.1 量子隐形传态
4.2.2 单向量子计算模型
习题
参考文献
第5章 基本的量子算法
5.1 Deutsch-Jozsa算法
5.1.1 量子并行性
5.1.2 Deutsch算法简介
5.1.3 Deutsch-Jozsa算法简介
5.2 Simon算法
5.3 Bernstein-Vazirani算法
5.4 QAOA算法
习题
参考文献
第6章 量子搜索算法
6.1 Grover量子搜索算法
6.1.1 Grover算法的基本思想
6.1.2 算法的性能分析
6.1.3 算法的程序实现
6.2 量子搜索算法的最优性
6.3 Grover量子搜索算法的改进
6.3.1 基于π/2相位旋转的改进算法
6.3.2 基于局部扩散算子的量子搜索算法
6.4 Grover量子搜索算法的应用
6.4.1 非结构化数据库搜索
6.4.2 NP完全问题上的应用
6.4.3 其他相关应用
6.5 量子随机行走
6.5.1 经典随机行走
6.5.2 量子随机行走简介
6.5.3 量子随机行走搜索算法
习题
参考文献
第7章 量子傅里叶变换及其应用
7.1 量子傅里叶变换
7.1.1 经典傅里叶变换
7.1.2 量子傅里叶变换原理
7.1.3 量子傅里叶变换线路
7.1.4 量子傅里叶变换实例
7.2 相位估计
7.2.1 算法过程
7.2.2 算法分析
7.3 因子分解
7.3.1 Shor算法
7.3.2 Shor算法实例
7.3.3 Shor算法分析
7.4 离散对数问题
7.5 隐含子群问题
7.5.1 循环群的HSP
7.5.2 Abel群的HSP
习题
参考文献
第8章 量子机器学习
8.1 量子计算与人工智能
8.2 机器学习
8.2.1 机器学习的发展与分类
8.2.2 机器学习的实现
8.2.3 机器学习中的算法
8.3 量子机器学习概述
8.3.1 HHL算法
8.3.2 量子奇异值分解算法
8.3.3 量子主成分分析算法
8.3.4 量子支持向量机算法
8.3.5 量子神经网络
习题
参考文献
第9章 量子噪声和容错
9.1 量子噪声
9.1.1 三量子比特的比特翻转码
9.1.2 三量子比特的相位翻转码
9.1.3 Shor码
9.2 量子纠错码理论
9.2.1 量子纠错编码的基本方法
9.2.2 CSS量子纠错码
9.2.3 稳定子量子纠错码
9.2.4 Toric码
9.3 容错量子计算
9.3.1 容错操作
9.3.2 7-位CSS码的指错子测量
9.3.3 容错量子门操作
9.3.4 CSS类稳定子码的容错计算
9.4 量子计算容错阈限定理
习题
参考文献
第10章 量子密码学
10.1 量子密钥分配
10.1.1 BB84类协议
10.1.2 实际QKD系统安全性分析
10.1.3 产业化现状
10.2 量子随机数发生器
10.2.1 量子随机数发生器分类
10.2.2 随机数的后处理
10.2.3 产业化现状
参考文献
第11章 安全量子计算
11.1 安全辅助量子计算协议
11.2 协议改进
11.3 安全量子计算发展趋势
习题
参考文献
第12章 量子计算机的物理实现
12.1 离子阱量子计算机
12.1.1 离子阱
12.1.2 离子作为量子信息的载体
12.1.3 激光冷却与状态初始化
12.1.4 单量子比特门
12.1.5 离子量子比特的状态检测
12.1.6 双量子比特门
12.1.7 退相干
12.2 超导量子计算机
12.3 核磁共振量子计算机
习题
参考文献
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内容简介:
本书在全面介绍量子计算与量子信息理论中用到的量子力学、线性代数、计算复杂性理论等背景知识的基础上，着重介绍几个代表性的量子算法：Deutsch-Jozsa算法、simon算法、BV算法、Grover算法、量子傅里叶变换、HHL算法等。同时，也介绍量子计算与量子信息实际应用所涉及的一些问题，包括量子通信中的量子密钥分发与量子随机数，以及安全量子计算协议，并简单介绍几种未来量子计算机可能的物理实现形式。
全书共分3篇：第1篇（第1～4章）为基础知识背景篇，着重介绍量子计算与量子信息理论所用到的量子力学、线性代数、计算复杂性理论等背景知识；第2篇（第5～8章）为算法篇，着重介绍几个有代表性的量子算法，说明算法步骤，并对各个算法进行简单的分析；第3篇（第9～12章）为应用篇，介绍量子通信中的量子密钥分发与量子随机数、安全量子计算协议及几种未来量子计算机可能的物理实现形式。每章后均附有参考文献与习题。
本书由浅入深，从基础理论到前沿，具有系统性、交叉性、前沿性等特点，适合作为高等院校电子、通信、计算机、数学及信息类交叉学科专业高年级本科生、研究生的教材，同时也可供其他从事量子计算研究的研究人员参考。
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作者简介:
翁健，暨南大学副校长，信息科学技术学院教授，从事密码学与信息安全领域研究，主讲智能计算和密码学导论等课程。现兼任科技部网络与信息安全专家组专家、国务院学位委员会网络空间安全学科评议组成员、教育部高等学校网络空间安全专业教学指导委员会委员、中共广东省委网络安全和信息化领导小组专家咨询委员会委员等。
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目录:
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 量子信息处理
1.3 量子算法简介
1.4 量子计算机
参考文献
第2章 量子力学引论
2.1 线性代数
2.1.1 向量
2.1.2 内积
2.1.3 线性算子与Pauli矩阵
2.1.4 伴随与Hermite算子
2.1.5 外积
2.1.6 张量积
2.1.7 对易式和反对易式
2.2 量子力学理论框架
2.2.1 量子力学基本假设
2.2.2 量子力学基本原理
2.3 量子比特
2.3.1 量子比特的数学表示
2.3.2 量子比特的Bloch球面表示
2.3.3 密度矩阵
2.4 量子测量
2.4.1 一般测量
2.4.2 投影测量
2.4.3 POVM
2.4.4 相位
2.5 量子纠缠
2.5.1 纠缠态与可分离态
2.5.2 纠缠交换
2.5.3 Bell不等式
习题
参考文献
第3章 计算复杂性
3.1 计算模型
3.1.1 图灵机
3.1.2 线路模型
3.2 计算复杂性类
3.2.1 P类和NP类
3.2.2 其他复杂性类
3.3 计算科学的发展与展望
习题
参考文献
第4章 量子计算模型
4.1 量子线路模型
4.1.1 单量子比特门
4.1.2 旋转算子的Clifford性质
4.1.3 具体的旋转算子分解形式
4.1.4 多量子比特门
4.1.5 通用量子门
4.2 其他量子计算模型
4.2.1 量子隐形传态
4.2.2 单向量子计算模型
习题
参考文献
第5章 基本的量子算法
5.1 Deutsch-Jozsa算法
5.1.1 量子并行性
5.1.2 Deutsch算法简介
5.1.3 Deutsch-Jozsa算法简介
5.2 Simon算法
5.3 Bernstein-Vazirani算法
5.4 QAOA算法
习题
参考文献
第6章 量子搜索算法
6.1 Grover量子搜索算法
6.1.1 Grover算法的基本思想
6.1.2 算法的性能分析
6.1.3 算法的程序实现
6.2 量子搜索算法的最优性
6.3 Grover量子搜索算法的改进
6.3.1 基于π/2相位旋转的改进算法
6.3.2 基于局部扩散算子的量子搜索算法
6.4 Grover量子搜索算法的应用
6.4.1 非结构化数据库搜索
6.4.2 NP完全问题上的应用
6.4.3 其他相关应用
6.5 量子随机行走
6.5.1 经典随机行走
6.5.2 量子随机行走简介
6.5.3 量子随机行走搜索算法
习题
参考文献
第7章 量子傅里叶变换及其应用
7.1 量子傅里叶变换
7.1.1 经典傅里叶变换
7.1.2 量子傅里叶变换原理
7.1.3 量子傅里叶变换线路
7.1.4 量子傅里叶变换实例
7.2 相位估计
7.2.1 算法过程
7.2.2 算法分析
7.3 因子分解
7.3.1 Shor算法
7.3.2 Shor算法实例
7.3.3 Shor算法分析
7.4 离散对数问题
7.5 隐含子群问题
7.5.1 循环群的HSP
7.5.2 Abel群的HSP
习题
参考文献
第8章 量子机器学习
8.1 量子计算与人工智能
8.2 机器学习
8.2.1 机器学习的发展与分类
8.2.2 机器学习的实现
8.2.3 机器学习中的算法
8.3 量子机器学习概述
8.3.1 HHL算法
8.3.2 量子奇异值分解算法
8.3.3 量子主成分分析算法
8.3.4 量子支持向量机算法
8.3.5 量子神经网络
习题
参考文献
第9章 量子噪声和容错
9.1 量子噪声
9.1.1 三量子比特的比特翻转码
9.1.2 三量子比特的相位翻转码
9.1.3 Shor码
9.2 量子纠错码理论
9.2.1 量子纠错编码的基本方法
9.2.2 CSS量子纠错码
9.2.3 稳定子量子纠错码
9.2.4 Toric码
9.3 容错量子计算
9.3.1 容错操作
9.3.2 7-位CSS码的指错子测量
9.3.3 容错量子门操作
9.3.4 CSS类稳定子码的容错计算
9.4 量子计算容错阈限定理
习题
参考文献
第10章 量子密码学
10.1 量子密钥分配
10.1.1 BB84类协议
10.1.2 实际QKD系统安全性分析
10.1.3 产业化现状
10.2 量子随机数发生器
10.2.1 量子随机数发生器分类
10.2.2 随机数的后处理
10.2.3 产业化现状
参考文献
第11章 安全量子计算
11.1 安全辅助量子计算协议
11.2 协议改进
11.3 安全量子计算发展趋势
习题
参考文献
第12章 量子计算机的物理实现
12.1 离子阱量子计算机
12.1.1 离子阱
12.1.2 离子作为量子信息的载体
12.1.3 激光冷却与状态初始化
12.1.4 单量子比特门
12.1.5 离子量子比特的状态检测
12.1.6 双量子比特门
12.1.7 退相干
12.2 超导量子计算机
12.3 核磁共振量子计算机
习题
参考文献
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