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量子電腦與量子計算:IBM Q Experience實作

出版日期
2020/06/02
閱讀格式
PDF
書籍分類
學科分類
ISBN
9789865025199

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內容簡介:本書介紹量子電腦與量子計算的理論基礎,並結合IBMQExperience實作,帶領讀者初步窺探這個嶄新而有趣的領域,迎接「量子霸權」時代的來臨。採主題介紹方式,循序漸進、深入淺出。內容涵蓋量子電腦、量子力學、數學、量子硬體、量子計算、量子演算法等理論基礎,並結合IBMQExperience進行電路作曲家、Python與Qiskit程式等實作過程,強調理論與實務的緊密結合,實現「做中學」的學習理念,期望協助您快速入門。同時介紹具有代表性的量子計算與量子演算法,包含豐富的Python程式範例,協助您實際體驗IBMQ量子電腦的模擬與實作。本書適用於資優高中生,或是資訊、電機、電子、工工、物理、應數、化工、生科等相關科系的大專學生。適用於產業界的研發工程師、資訊工程師、軟體工程師、資料科學家、大數據分析師、人工智慧工程師、化學工程師、生物醫學工程師、金融分析師等,或是對於量子電腦與量子計算領域具有興趣的創客玩家等。
  • Chapter 1 介紹
    • 1.1 引言
    • 1.2 人類的科技發展
    • 1.3 量子電腦的發展背景
    • 1.4 量子革命
    • 1.5 量子電腦的科學領域
  • Chapter 2 量子力學基礎
    • 2.1 基本概念
    • 2.2 物理學的理論基礎
      • 2.2.1 古典力學
      • 2.2.2 電磁學
      • 2.2.3 量子力學
    • 2.3 宏觀世界與微觀世界
    • 2.4 基本粒子
      • 2.4.1 分子
      • 2.4.2 原子
      • 2.4.3 亞原子粒子
      • 2.4.4 粒子加速器
    • 2.5 量子
    • 2.6 波的概念
      • 2.6.1 波的特性
      • 2.6.2 波的繞射與干涉
      • 2.6.3 電磁波
    • 2.7 楊格的雙縫實驗
    • 2.8 光電效應
    • 2.9 波粒二象性
    • 2.10 薛丁格方程式
    • 2.11 薛丁格的貓
    • 2.12 粒子自旋
    • 2.13 疊加態與糾纏態
  • Chapter 3 數學基礎
    • 3.1 基本概念
    • 3.2 數的概念
    • 3.3 數的單位
    • 3.4 指數的威力
    • 3.5 線性代數
      • 3.5.1 向量
      • 3.5.2 向量空間
      • 3.5.3 線性獨立與相依
      • 3.5.4 內積
      • 3.5.5 基底
      • 3.5.6 矩陣
      • 3.5.7 行列式
      • 3.5.8 反矩陣
      • 3.5.9 正交矩陣
      • 3.5.10 特徵值與特徵向量
    • 3.6 傅立葉轉換
  • Chapter 4 量子硬體
    • 4.1 基本概念
    • 4.2 傳統電腦的硬體
    • 4.3 量子電腦的硬體
      • 4.3.1 超導體
      • 4.3.2 量子點
      • 4.3.3 囚禁離子
      • 4.3.4 拓樸量子位元
      • 4.3.5 鑽石空缺
    • 4.4 數位邏輯閘
    • 4.5 量子邏輯閘
    • 4.6 量子電腦系統堆疊
    • 4.7 量子電腦的技術挑戰
    • 4.8 量子電腦初體驗
      • 4.8.1 Hello Quantum
      • 4.8.2 Entanglion
      • 4.8.3 QPong
  • Chapter 5 量子計算
    • 5.1 基本概念
    • 5.2 Bra-Ket表示法
    • 5.3 希爾伯特空間
    • 5.4 布洛赫球面
    • 5.5 量子位元
      • 5.5.1 量子狀態與量子測量
      • 5.5.2 標準表示法
      • 5.5.3 密度矩陣
    • 5.6 張量運算
    • 5.7 么正矩陣
    • 5.8 量子邏輯閘
      • 5.8.1 單量子位元的量子邏輯閘
      • 5.8.2 雙量子位元的量子邏輯閘
      • 5.8.3 三量子位元的量子邏輯閘
    • 5.9 量子邏輯閘的串並聯
      • 5.9.1 串聯
      • 5.9.2 並聯
    • 5.10 量子疊加態
    • 5.11 量子糾纏態
    • 5.12 高階量子邏輯閘
    • 5.13 等效量子邏輯閘
    • 5.14 量子邏輯閘的數位邏輯運算
    • 5.15 量子計算的比喻
    • 5.16 量子計算的過程
  • Chapter 6 電路作曲家
    • 6.1 基本概念
    • 6.2 IBM Q帳號申請
    • 6.3 IBM Q Experience開發工具
    • 6.4 電路作曲家的基本介面
    • 6.5 電路作曲家實作
      • 6.5.1 單量子位元的量子邏輯閘
      • 6.5.2 雙量子位元的量子邏輯閘
      • 6.5.3 三量子位元的量子邏輯閘
      • 6.5.4 量子疊加態
      • 6.5.5 量子糾纏態
      • 6.5.6 高階量子邏輯閘
  • Chapter 7 Qiskit實作
    • 7.1 基本概念
    • 7.2 Python程式設計
    • 7.3 Qiskit介紹
    • 7.4 Qiskit實作
      • 7.4.1 使用ID閘的量子電路
      • 7.4.2 使用H閘的量子電路
      • 7.4.3 使用X閘的量子電路
      • 7.4.4 使用Y閘的量子電路
      • 7.4.5 使用Z閘的量子電路
      • 7.4.6 使用Rx閘的量子電路
      • 7.4.7 使用Ry閘的量子電路
      • 7.4.8 使用Rz閘的量子電路
      • 7.4.9 雙量子位元的量子電路
      • 7.4.10 使用CNOT閘的量子電路
      • 7.4.11 使用SWAP閘的量子電路
      • 7.4.12 使用CCNOT閘的量子電路
      • 7.4.13 量子疊加態
      • 7.4.14 量子糾纏態
  • Chapter 8 量子演算法
    • 8.1 基本概念
    • 8.2 Deutsch-Jozsa演算法
      • 8.2.1 Deutsch問題
      • 8.2.2 Deutsch Oracle
      • 8.2.3 Deutsch演算法
      • 8.2.4 Deutsch-Jozsa問題
      • 8.2.5 Deutsch-Jozsa Oracle
      • 8.2.6 Deutsch-Jozsa演算法
    • 8.3 Bernstein-Vazirani演算法
      • 8.3.1 Bernstein-Vazirani問題
      • 8.3.2 Bernstein-Vazirani Oracle
      • 8.3.3 Bernstein-Vazirani演算法
    • 8.4 Simon演算法
      • 8.4.1 Simon問題
      • 8.4.2 Simon’s Oracle
      • 8.4.3 Simon演算法
    • 8.5 Grover演算法
      • 8.5.1 Grover問題
      • 8.5.2 Grover’s Oracle
      • 8.5.3 Grover演算法
    • 8.6 量子傅立葉轉換
    • 8.7 量子相位估測
    • 8.8 3-SAT量子演算法
      • 8.8.1 3-SAT問題
      • 8.8.2 3-SAT演算法
    • 8.9 變分量子特徵值求解器
      • 8.9.1 VQE數學背景
      • 8.9.2 VQE演算法
      • 8.9.3 VQE演算法實作
    • 8.10 Shor演算法
      • 8.10.1 RSA公鑰密碼系統
      • 8.10.2 Shor演算法
  • Chapter 9 結論
  • Appendix A 附錄
    • A.1 量子力學的人生哲學
    • A.2 薛丁格方程式的數學推導
    • A.3 量子邏輯閘的摘要表
  • 參考文獻

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