初识量子计算

本书以清晰和实用的方式介绍了量子信息处理系统的概念和工作原理。涵盖了量子力学基础、量子信息处理、量子门和电路、量子误差校正、量子算法和量子密码学等内容，尤其适合没有量子力学先验知识的和不熟悉非经典信息处理的读者阅读。

—作者简介—
帕拉格·K. 拉拉（Parag K. Lala） 得克萨斯农工大学特克萨卡纳分校电气工程教授，IEEE终身会士。他是7本书和145篇技术论文的作者或合作者，目前的研究兴趣包括量子计算、密码学、基于硬件的DNA序列匹配以及生物学启发的可编程数字系统设计。

译者序
前言
第1章复数、向量空间和狄拉克表示法 ……
11复数 ……
12复共轭 ……
13向量空间 ……
14基集 ……
15狄拉克符号 ……
16内积 ……
17线性相关和独立向量 ……
18对偶向量空间 ……
19计算基 ……
110外积 ……
参考文献 ……
第2章量子力学基础 ……
21经典物理学的局限性 ……
22光电效应 ……
23经典电磁理论 ……
24卢瑟福的原子模型 ……
25玻尔的原子模型 ……
26光的粒子性和波动性 ……
27波函数 ……
28量子力学公设 ……
参考文献 ……
第3章矩阵和算子 ……
31矩阵 ……
32方阵 ……
33对角（三角）阵 ……
34算子 ……
35线性算子 ……
36对易子 ……
37线性算子的矩阵表示 ……
38对称矩阵 ……
39转置算子 ……
310正交矩阵 ……
311单位算子 ……
312伴随算子 ……
313厄米算子 ……
314酉算子 ……
315投影算子 ……
参考文献 ……
第4章布尔代数、逻辑门和量子信息处理 ……
41布尔代数 ……
42经典电路计算模型 ……
43通用逻辑门 ……
44量子计算 ……
45量子位及其表示 ……
46量子系统中的叠加 ……
47量子寄存器 ……
参考文献 ……
第5章量子门和量子电路 ……
51X门 ……
52Y门 ……
53Z门 ……
54NOT门 ……
55哈达玛门 ……
56相位门 ……
57T门 ……
58可逆逻辑 ……
59CNOT门 ……
510可控U门 ……
511可逆门 ……
参考文献 ……
第6章张量积、叠加和量子纠缠 ……
61张量积 ……
62多量子位系统 ……
63叠加 ……
64纠缠 ……
65退相干 ……
参考文献 ……
第7章隐形传态和超密编码 ……
71量子隐形传态 ……
72不可克隆定理 ……
73超密编码 ……
参考文献 ……
第8章量子纠错 ……
81经典纠错码 ……
82量子纠错码 ……
83肖尔的3量子位比特翻转码 ……
84纠错 ……
85肖尔的9量子位码 ……
参考文献 ……
第9章量子算法 ……
91多伊奇算法 ……
92多伊奇乔兹萨算法 ……
93格罗弗搜索算法 ……
94肖尔因式分解算法 ……
参考文献 ……
第10章量子密码学 ……
101信息安全原理 ……
102单次密本 ……
103公钥加密技术 ……
104RSA编码方案 ……
105量子密码学 ……
106量子密钥分发 ……
107BB84 ……
108Ekart91 ……
参考文献 ……

量子计算基于量子力学原理，描述的是非常小的粒子（原子和亚原子）的行为。由于这些粒子的运动方式，量子计算机的运算速度比传统计算机快很多。在过去的20年里，量子计算已经发展为物理学家、计算机科学家和电气工程师的主要研究领域。
本书旨在对量子计算做简单的介绍，主要涵盖量子计算系统的概念及其工作方式，读者无须具备电气工程、计算机科学或物理学相关的高级专业知识。
本书的主要目标是在无须关注过多数学细节的情况下以一种通俗易懂的方式呈现量子力学的内容。也就是说，本书不要求过多的高级知识储备，所有必要的预备知识都会在适当的位置提供给读者。
这本书一共分为10章。第1章复习了复数和向量的知识，并介绍了在量子力学中广泛用于表示量子态的狄拉克符号，即左矢和右矢。
第2章讨论了量子力学的发展，以及物质在原子和亚原子层次上的行为。
第3章全面介绍矩阵和算子。算子在量子计算中得到了广泛的应用，它们作用于量子态并改变量子态。在量子计算中，所有的算子都是线性的，并且都用矩阵表示。
第4章介绍了布尔代数和常规逻辑门的基础知识。详细讨论了量子信息处理的原理，并介绍了量子位。正如位（也称为比特）是经典计算机中信息的基本单位一样，量子位也是量子计算机中信息的基本单位。
第5章介绍了量子门。量子门在数学上表示为变换矩阵，本章详细介绍了单量子位门和双量子位门的工作原理。
第6章讨论了量子粒子的两个有趣的特性——叠加和纠缠，两者都被用于量子计算。为了理解叠加和纠缠的概念，需要对张量积有一定的了解，因此本章首先对张量积进行了简要介绍。
第7章讨论了另外两个量子信息的独特特性——隐形传态和超密编码。隐形传态是通过只发送经典位来传输量子数据的能力，而超密编码则是通过只发送一个量子位来传输两个经典位。
量子计算系统的一个主要问题是，每当量子位与环境交互时，它就会被损坏。然而，就像在经典计算系统中一样，可以使用纠错码来检测和纠正量子位的错误。第8章讨论了量子系统中可能存在的错误类型以及用于纠正这些错误的技术。
第9章讨论了量子计算受到如此多关注的主要原因之一——它可以借用线性代数中的数学运算来处理量子信息。这推动了多个量子算法的开发，这些算法可以用于执行数据库搜索，以及在很短的时间内实现大整数分解——在传统的计算机上执行这些运算通常要花费大量时间。本章讨论了一些著名的量子算法。
第10章首先讨论经典密码系统和各种数据加密技术，然后介绍利用光子(光粒子)的固有量子特性对数据进行编码的量子密码学原理，还讨论了用于量子密钥分发协议的几种重要技术。
感谢家人在我撰写这本书的过程中给予的鼓励和支持。我的妻子Meena自始至终都在支持这项工作。她仔细检查了各个版本的草稿，还提出了很多使本书对读者更友好的方法及建议，并对错误进行了修正。我的女儿Nupur和儿子Kunal也帮了忙。特别感谢Nupur，她在开始住院医生实习项目之前的休息期间帮我修改了全部手稿。我还要感谢这本书的产品经理Dolly Sarangthem女士的合作与耐心。后，衷心感谢我的前同事也是我的好朋友Ugur Tanriver博士，感谢他与我进行了多次有趣的讨论，此外，他在许多别的方面也帮助过我，对此我心存感激。