Python量子計(jì)算實(shí)踐：基于Qiskit和IBM Quantum Experience平臺(tái)

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(mén)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(mén) 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(mén)資源庫(kù)簡(jiǎn)介 123
6.1　技術(shù)要求 124
6.2　使量子門(mén)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(mén)、泡利Y門(mén)和泡利Z門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)、Ry門(mén)和Rz門(mén)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(mén)U1、U2、U3和ID搭建量子線路 140
6.7.1　U3量子門(mén) 141
6.7.2　U2量子門(mén) 141
6.7.3　U1量子門(mén) 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(mén) 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(mén) 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(mén) 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(mén)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
感謝閱讀 302