量子编程基础
￥ 33.86 2.4折 ￥ 139 九五品
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作者应明生（MingshengYing）著,张鑫向宏傅鹂向涛译
出版社机械工业出版社
ISBN9787111631293
出版时间2019-08
版次1
装帧平装
开本16开
纸张胶版纸
页数316页
定价139元
上书时间2024-07-19
商品详情
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基本信息
书名:量子编程基础
定价：139.00元
作者:应明生（MingshengYing）著,张鑫向宏傅鹂向涛译 译
出版社：机械工业出版社
出版日期：2019-08-01
ISBN：9787111631293
字数：
页码：316
版次：1
装帧：平装
开本：16开
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近年来物理实验领域的快速发展，使人们普遍期望在10~20年内实现规模大、功能全的量子计算机硬件。然而，要发挥量子计算的超级计算能力，仅仅依靠量子硬件是不够的，量子软件也必须发挥关键作用。目前广泛使用的软件开发技术不能直接应用于量子计算机，经典世界和量子世界的本质差异意味着需要新的技术来为量子计算机编程。本书对量子编程这一课题进行了系统和详尽的探索，将研究重点放在不同量子编程语言和技术所广泛使用的基础概念、方法和数学工具上。全书从量子力学和量子计算的基础概念开始，详细介绍了多种量子程序结构和一系列量子编程模型。此外，还系统地讨论了量子程序的语义、逻辑和分析与验证技术。本书特色系统性地阐释量子编程理论，一步步揭开量子计算的神秘面纱。包含许多用于开发、分析和验证量子程序和量子加密协议的方法、技术和工具，对于学术界和工业界的研究者和开发人员都极具价值。涵盖量子力学、数学和计算机科学的相关预备知识，并指出其在量子工程和物理学中的潜在应用，呈现了量子编程的跨学科特性。
内容提要
目录
出版者的话 序言一 序言二 前言 致谢 部分 引言和预备知识 章 引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1 量子编程研究简史 . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1 量子编程语言的设计. . . . . . . . . .2 1.1.2 量子编程语言的语义. . . . . . . . . .3 1.1.3 量子程序的验证和分析 . . . . . . . 3 1.2 量子编程的方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.1 数据叠加——带经典控制的量子程序 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.2 程序叠加——带量子控制的量子程序 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 全书结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 第 2 章 预备知识 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1 量子力学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 2.1.1 希尔伯特空间 . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 线性算子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.3 幺正变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.4 量子测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.5 希尔伯特空间的张量积 . . . . . . 18 2.1.6 密度算子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.7 量子操作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2 量子线路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.1 基本定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.2 单量子比特门 . . . . . . . . . . . . . . .26 2.2.3 受控门 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.4 量子多路复用器. . . . . . . . . . . . .29 2.2.5 量子门的通用性. . . . . . . . . . . . .31 2.2.6 量子线路的测量. . . . . . . . . . . . .31 2.3 量子算法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3.1 量子并行性与量子干涉 . . . . . . 33 2.3.2 Deutsch-Jozsa 算法 . . . . . . . . . 35 2.3.3 Grover 搜索算法 . . . . . . . . . . . . 36 2.3.4 量子游走 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.5 量子游走搜索算法. . . . . . . . . . .42 2.3.6 量子傅里叶变换. . . . . . . . . . . . .44 2.3.7 相位估计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 第二部分 带经典控制的量子程序 第 3 章 量子程序的语法和语义. . . . . . . . .50 3.1 语法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2 操作语义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3 指称语义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.3.1 语义函数的基本属性 . . . . . . . . 61 3.3.2 量子域 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3.3 循环的语义函数. . . . . . . . . . . . .64 3.3.4 量子变量的改变与访问 . . . . . . 65 3.3.5 终止和发散的概率. . . . . . . . . . .66 3.3.6 作为量子操作的语义函数 . . . . 68 3.4 量子编程中的经典递归 . . . . . . . . . 69 3.4.1 语法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.2 操作语义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.3 指称语义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.4 不动点特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5 例子：Grover 量子搜索 . . . . . . . . . 77 3.6 引理的证明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.7 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 第 4 章 量子程序的逻辑 . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.1 量子谓词 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.1.1 量子最弱前置条件. . . . . . . . . . .87 4.2 量子程序的 Floyd-Hoare 逻辑. . .91 4.2.1 正确性公式 . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.2.2 量子程序的最弱前置条件 . . . . 94 4.2.3 部分正确性的证明系统 . . . . . 101 4.2.4 整体正确性的证明系统 . . . . . 107 4.2.5 例子：推理 Grover 算法 . . . . 114 4.3 量子最弱前置条件的可交换性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.4 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 第 5 章 量子程序的分析. . . . . . . . . . . . . . .124 5.1 量子 while 循环的终止性分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.1.1 使用幺正操作作为循环体的量子 while 循环 . . . . . . . . . . . 124 5.1.2 一般性量子 while 循环. . . . .132 5.1.3 例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.2 量子图理论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.2.1 基本定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.2 末端强连通分量 . . . . . . . . . . . 149 5.2.3 状态希尔伯特空间的分解 . . . 153 5.3 量子马尔可夫链的可达性分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.3.1 可达性概率. . . . . . . . . . . . . . . .158 5.3.2 重复可达性概率 . . . . . . . . . . . 160 5.3.3 持续性概率. . . . . . . . . . . . . . . .163 5.4 引理的证明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.5 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 第三部分 带量子控制的量子程序 第 6 章 量子 case 语句 . . . . . . . . . . . . . . . 176 6.1 case 语句：从经典到量子 . . . . . . 176 6.2 QuGCL：支持量子 case 语句的编程语言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 6.3 量子操作的卫式组合 . . . . . . . . . . 182 6.3.1 幺正算子的卫式组合 . . . . . . . 182 6.3.2 算子值函数. . . . . . . . . . . . . . . .183 6.3.3 算子值函数的卫式组合 . . . . . 185 6.3.4 量子操作的卫式组合 . . . . . . . 187 6.4 QuGCL 程序的语义 . . . . . . . . . . . 189 6.4.1 经典态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 6.4.2 半经典语义. . . . . . . . . . . . . . . .190 6.4.3 纯量子语义. . . . . . . . . . . . . . . .192 6.4.4 最弱前置条件语义 . . . . . . . . . 194 6.4.5 例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.5 量子选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 6.5.1 选择：通过概率性从经典转换到量子. . . . . . . . . . . . . . . .197 6.5.2 概率性选择的量子实现 . . . . . 199 6.6 代数法则 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 6.7 例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 6.7.1 量子游走 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 6.7.2 量子相位估算. . . . . . . . . . . . . .206 6.8 讨论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 6.8.1 量子操作卫式组合的系数 . . . 208 6.8.2 通过子空间控制的量子case 语句 . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 6.9 引理、命题和定理的证明 . . . . . . 213 6.10 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 第 7 章 量子递归 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 7.1 量子递归程序的语法 . . . . . . . . . . 227 7.2 启发性示例：递归量子游走. . . . 230 7.2.1 递归量子游走的规范 . . . . . . . 230 7.2.2 如何求解递归量子方程 . . . . . 234 7.3 二次量子化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 7.3.1 多粒子态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 7.3.2 Fock 空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 7.3.3 Fock 空间的可观测量 . . . . . . 241 7.3.4 Fock 空间的演变. . . . . . . . . . .243 7.3.5 粒子的产生与湮灭 . . . . . . . . . 244 7.4 在自由 Fock 空间中求解递归方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 7.4.1 自由 Fock 空间中算子的域 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 7.4.2 程序模式的语义泛函 . . . . . . . 248 7.4.3 不动点语义. . . . . . . . . . . . . . . .251 7.4.4 语法逼近 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 7.5 恢复对称性与反对称性 . . . . . . . . 257 7.5.1 对称函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 7.5.2 量子递归程序语义的对称性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 7.6 量子递归的主系统语义 . . . . . . . . 260 7.7 例子：回顾递归量子游走 . . . . . . 261 7.8 （带量子控制的）量子 while循环 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 7.9 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 第四部分 发展前景 第 8 章 发展前景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 8.1 量子程序与量子机 . . . . . . . . . . . . . 272 8.2 量子编程语言的实现 . . . . . . . . . . 273 8.3 函数式量子编程 . . . . . . . . . . . . . . . 274 8.4 量子程序的范畴语义 . . . . . . . . . . 275 8.5 从并行量子程序到量子并行 . . . 275 8.6 量子编程中的纠缠 . . . . . . . . . . . . . 276 8.7 模型检测量子系统 . . . . . . . . . . . . . 277 8.8 应用于物理学的量子编程. . . . . .278 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 索引 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
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