走进前沿颠覆性技术之量子计算——读《量子计算与编程入门》有感 | 周末读书 | 自由微信

走进前沿颠覆性技术之量子计算——读《量子计算与编程入门》有感 | 周末读书

王俊超中国物理学会期刊网 2021-03-24

|作者：王俊超

(数学工程与先进计算国家重点实验室)

内容简介：本书是关于量子计算与编程入门的专业书籍，书中详细介绍了量子计算的背景知识、基础概念、实现的硬件基础和一些重要量子算法的编程。全书共5章，主要内容包括：背景知识、量子计算基础、量子计算机硬件基础、量子算法与编程、量子计算前沿话题，书末附有量子计算数学基础、量子编程工具的安装与配置、量子化学工具的安装与使用。

推荐理由

量子计算机可以说是目前世界上最为复杂的系统之一。制造一台量子计算机需要跨越计算机科学、物理学、材料学、数学等多门学科。

量子力学是现代物理学中最为深奥的理论。物理学大师费曼曾经说过：“世界上没有人真的懂量子力学。”以经典物理经验去看待量子世界，势必难以真正参透量子世界的奥妙。

在量子的世界中，一切都是以概率形式存在的。即使不懂量子的人也一定听说过薛定谔那只“既生又死”的猫。这在经典的世界中是离经叛道的，但在量子的世界中却是所有理论的基础。

现在市面上已经出版了不少优秀的关于量子力学方面的科普和专业书籍。但是，从实用化角度出发有关量子计算的书籍，国内还是一片空白。

自2018年首次接触量子计算以来，虽然断断续续读了不少书和论文，但是仍难以摸到其中的门道。其中包括量子领域的经典书籍QuantumComputation and QuantumInformation，这部经典著作中的描述过于数学化，对于计算机背景的我太难入门了。既然是计算机，总会有些与经典计算机相接近的东西，例如编程模型、编译器、编程语言之类的。2019年在北京的一次会议上听过郭国平教授做的报告，引起了我的兴趣。疫情期间不能出门，是个在家充电学习的好时机，打开本源量子的官网，没想到竟然能够完整地下载到郭国平教授、郭光灿院士以及陈昭昀博士撰写的《量子计算与编程入门》（初稿，现已由科学出版社正式出版），精彩的内容吸引我非常深入的学习了书中知识。

这本书可以说是量子计算入门者目前最好的中文版的书籍了。郭国平教授师从郭光灿院士。郭光灿院士是我国最早从事量子计算领域的科学家之一，在量子计算领域具有深厚的积累，在他的带领下创办了中国科学院量子信息重点实验室。郭国平教授师从事量子计算领域二十余载，在超导和半导体量子计算方向具有极高的造诣。

这本书中尽量避免了晦涩的数学公式和高深的量子力学理论知识，重点侧重于量子计算背景知识、量子计算理论基础、量子计算机硬件基础、量子算法与编程等。在书中我们很容易找到一些问题的答案：“什么是量子计算机？”“为什么要制造量子计算机？”“量子计算机能够用来干什么？”“如何使用一台量子计算机？”等。

郭国平教授团队编写的这本书，更多的是从具体的案例出发，从解决实际问题入手，这将会极大地激发读者的学习兴趣。书中介绍的量子软件QPanda和量子芯片，在郭国平教授团队和本源量子公司的努力下，都实现了我国完全自主的知识产权。本源量子是国内第一家专注于研发、推广和应用量子计算机的公司。国内第一套完整的量子软件系统QPanda的源代码和所有案例相关的代码，都被发布在了开源平台上，任何人都可以使用这些代码。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，《量子计算与编程入门》一书把论文中晦涩的数学公式搬到了真实存在的量子计算机上，让大家能够最为直观地感受到量子计算机是如何工作的。

在与郭国平教授的交流过程中，郭国平教授表示愿意开放自己所有的量子计算方面的工作，把几十年的积累悉数传授给大家，唯愿中国量子事业能够不再落后于人。甚至允许我将《量子计算与编程入门》一书的手稿也做成开源，让更多愿意参与量子计算事业的学者能够贡献自己的想法和工作。这不禁让我想起了享誉全球的咏春拳。现在咏春拳之所以在世界上能够享有盛誉，正是因为当年叶问秉承着开放教拳的想法。而中国传统武术博大精深，却因为各种条条框框的限制，总是不想把好东西让别人知道，使得一些精华的东西逐渐消落。在量子计算领域，除了郭国平教授团队外，事实上还有很多学者具有非常深厚的积累。如果大家都能够摒除掉条条框框，那么我国的量子事业发展的速度会更快，效果也会更好。

世界上各个国家尤其是美国在量子计算领域投入了大量的资金用来建造量子计算机。一旦大规模量子计算机在某一国率先问世，那么将会在科技领域对其他国家具有绝对优势，从而能够在国防、经济、民生等各个领域形成“降维打击”。因此，甚至有人将制造一台量子计算机比作是美国当年制造原子弹的曼哈顿工程。

在国际形势日渐严峻的当下，时代和使命需要我们必须去制造拥有完全自主知识产权的量子计算机。量子计算事业的发展需要的不仅仅是国家大量的经济投入，更需要高尖端人才。人才的培养是量子计算事业发展的基石。郭国平教授团队编写的《量子计算与编程入门》一书解决了量子计算人才培养中缺乏基础教材的问题，使更多的青年学生能够参与到量子计算的研究和发展中，具有非常重要的前瞻意义和教育价值。

【目录】
序
前言
第1章背景知识 1
1.1 三问量子计算 1
1.1.1 什么是量子计算 1
1.1.2 为什么我们需要量子计算 2
1.1.3 什么样的机构参与量子计算的研发 8
1.2 量子计算的发展历史 11
1.2.1 量子力学的发展 11
1.2.2 量子计算的发展 21
1.3 量子计算软件介绍 25
1.3.1 量子语言 25
1.3.2 量子软件开发包 26
1.3.3 量子云平台 27
第2章量子计算基础 29
2.1 量子力学基础理论 29
2.1.1 量子系统 29
2.1.2 观测量和计算基下的测量 39
2.1.3 复合系统与联合测量 42
2.2 量子程序 45
2.2.1 量子计算原理 45
2.2.2 量子计算的if和 while 62
第3章量子计算机硬件基础 66
3.1 量子芯片 66
3.1.1 超导量子芯片 66
3.1.2 半导体量子芯片 69
3.1.3 其他类型体系的量子计算体系 71
3.2 量子计算机硬件 77
3.2.1 量子芯片支持系统 78
3.2.2 量子计算机控制系统 80
3.3 量子计算机 85
3.3.1 量子计算机整体架构 85
3.3.2 量子程序架构(设备代码的架构) 86
第4章量子算法与编程 90
4.1 量子软件开发环境 90
4.1.1 QPanda 90
4.1.2 QRunes 96
4.1.3 本源量子云平台 97
4.2 量子算法简介 98
4.2.1 概述 98
4.2.2 量子-经典混合算法 98
4.3 Deutsch-Jozsa算法 100
4.3.1 在本源量子云平台上实现D-J算法 102
4.3.2 在QPanda上实现D-J算法 109
4.4 Grover搜索算法 115
QPanda实现Grover算法的代码示例 119
4.5 QAOA 123
4.5.1 *大切割问题 123
4.5.2 布尔可满足性问题 126
4.5.3 组合*优化问题 127
4.5.4 近似优化算法 128
4.5.5 泡利算符 128
4.5.6 哈密顿量 135
4.5.7 算法原理 144
4.5.8 QAOA综合示例 150
4.6 VQE算法 155
4.6.1 计算化学 156
4.6.2 量子化学 159
4.6.3 量子化学模拟 160
4.6.4 费米子哈密顿量 163
4.6.5 算法原理 177
4.6.6 综合示例 196
4.7 Shor分解算法 205
4.7.1 加密与解密 205
4.7.2 RSA加密算法 207
4.7.3 量子逻辑电路及量子傅里叶变换 212
4.7.4 算法原理 225
4.7.5 pyQPanda中的示例 239
第5章量子计算前沿话题 251
5.1 利用QPanda测试量子系统噪声 251
5.1.1 量子噪声 251
5.1.2 含噪声量子虚拟机 253
5.2 量子机器学习 269
5.3 使用单振幅和部分振幅量子虚拟机 281
5.3.1 单振幅量子虚拟机 281
5.3.2 部分振幅量子虚拟机 283
5.4 将量子程序编译到不同的量子芯片上 285
附录 294
附录A 量子计算数学基础 294
A.1 概述 294
A.2 集合与映射 294
A.3 向量空间 300
A.4 矩阵与矩阵的运算 308
A.5 矩阵的特征 311
A.6 矩阵的函数 314
A.7 线性算子与矩阵表示 315
附录B 量子编程工具的安装与配置 320
B.1 QPanda 320
B.2 pyQPanda 330
B.3 Qurator 330
B.4 量子学习机 339
附录C 量子化学工具的安装与使用 351
C.1 PSI4的安装与使用 351
C.2 可视化化学模拟软件ChemiQ安装与使用 351
C.3 ChemiQ接口介绍与使用 360
C.4 非梯度下降算法实现VQE算法代码示例 363
参考文献 374
后记 378