量子信息学是20世纪80年代以量子物理学为基础,融入计算机科学、经典信息论形成的新兴交叉学科,主要包括量子通信和量子计算两个分支。
本书是关于量子计算机研究,分上、下两册出版。上册是关于量子计算机原理和物理实现,下册是关于量子纠错和容错量子计算。
本书为上册,内容包括计算机从经典到量子、量子位和量子逻辑门、量子算法、量子计算机动力学模型、离子阱量子计算机、基于半导体量子点的量子计算机、固体超导量子计算机、绝热量子计算簇态和簇态上的量子计算等。
本书兼有基础性和系统性特色,既包含学科主要基础理论,又系统介绍了当前该领域前沿主要研究方向和动态。全书体系清晰,逻辑严谨,分析深人,推导详尽。既可作为高等院校的研究生教材或教学参考书,又可供相关领域研究人员和科技工作者参考。

目 录
上 册
前言
第1章 计算机从经典到量子
1.1 计算机的基本条件
1.1.1 计算
1.1.2 计算机的物理本质
1.1.3 在一个物理系统实现计算机的必要条件
1.1.4 量子计算概念的起源
1.2 早期的计算工具
1.2.1 数原始的计算工具
1.2.2 筹算———用筹的位置？横竖？数量状态编码
1.2.3 珠算———用算珠的不同位置和数量状态编码
1.3 机械计算机和电磁计算机
1.3.1 机械计算机
1.3.2 电磁计算机
1.4 电子计算机
1.4.1 电子管计算机
1.4.2 晶体管
1.4.3 现代电子计算机
1.4.4 电子计算机的体系结构
1.4.5 电子计算机的基本逻辑电路
1.4.6 电子计算机的各种存储设备
1.4.7 经典计算机
1.5 量子态和量子计算机编码
1.5.1 量子态的描述———波函数和量子态叠加原理
1.5.2 量子态的时间演化和计算操作
1.5.3 量子计算机的输出———量子测量
1.5.4 量子测量和量子计算机编程
1.6 量子计算机编码态的非经典性质
1.6.1 量子纠缠现象
1.6.2 量子态非克隆定理
1.6.3 量子计算机和经典计算机
参考文献
第2章 量子位和量子逻辑门
2.1 量子位
2.1.1 量子位概念
2.1.2 量子位态的表示
2.1.3 多量子位态
2.2 经典通用逻辑门组和经典可逆计算
2.2.1 经典通用逻辑门组
2.2.2 Landauer原理
2.2.3 经典可逆计算
2.2.4 经典可逆计算的通用门———Toffoli门
2.3 量子逻辑门
2.3.1 量子一位门
2.3.2 量子二位门
2.3.3 量子多位门
2.4 量子计算的通用逻辑门组
2.4.1 量子通用逻辑门组
2.4.2 证明量子通用逻辑门组的引理
2.4.3 证明两位控制非门和一位U 门构成量子通用逻辑门组 472.5 量子通用逻辑门组的其他形式
2.5.1 包括两量子位控制相位门的通用逻辑门组
2.5.2 交换门的平方根和包含交换门平方根的通用量子逻辑门组 54 2.5.3 单量子位 H 门的分解
2.5.4 两量子位C 门
参考文献
第3章 量子算法
3.1 算法的概念和算法复杂性
3.1.1 可计算性理论？Turing机
3.1.2 计算和算法的概念
3.1.3 算法复杂性理论？P类和 NP类算法
3.1.4 量子计算和经典算法复杂性
3.2 几个简单问题的量子算法
3.2.1 Deutsch问题的量子算法
3.2.2 DeutschGJozsa问题的量子算法
3.2.3 BernsteinGVazirani问题的量子算法
3.2.4 Simon问题的量子算法
3.3 随机数据库搜索的量子算法
3.3.1 随机数据库搜索问题
3.3.2 量子 Oracle
3.3.3 Grover迭代算法的构造
3.3.4 Grover算法性能估计
3.3.5 Grover搜索算法是最优搜索算法
3.4 Shor分解大数质因子的量子算法
3.4.1 求最大公约数的 Euclid算法
3.4.2 把分解大数质因子归约为求阶问题
3.4.3 求随机数阶的量子算法
3.4.4 量子离散 Fourier变换算法
3.5 量子Fourier变换及其应用
3.5.1 量子 Fourier变换
3.5.2 量子 Fourier变换的有效实现
3.5.3 量子 Fourier变换和相位估计
3.6 量子算法和隐藏子群问题
3.6.1 指数加速量子算法的群论描述
3.6.2 Abel群上函数的 Fourier变换
3.6.3 指数加速量子算法和隐藏子群问题
3.6.4 非 Abel群隐藏子群问题
3.7 量子系统的动力学模拟算法
3.7.1 量子系统动力学模拟原理
3.7.2 Fermi系统的量子模拟算法
3.7.3 Bose系统的量子模拟算法
3.7.4 从模拟结果中获得信息的测量
参考文献
第4章 量子计算机动力学模型
4.1 量子计算机系统Hamilton量的一般形式
4.1.1 量子位动力学的半自旋 Fermi子模型
4.1.2 两体相互作用 Hamilton量
4.1.3 量子信息读出———测量
4.1.4 环境作用？量子计算机 Hamilton量普遍形式
4.2 单量子位门操作(Ⅰ)
113 4.2.1 单量子位动力学方程
4.2.2 单量子位态绕z轴的任意转动
4.2.3 单量子位态的任意转动变换
4.2.4 单量子位态转动的几个特例
4.3 单量子位门操作(Ⅱ)
4.3.1 射频电磁场作用下单量子位 Hamilton量
4.3.2 射频电磁场作用下单量子位态的时间演化
4.3.3 射频电磁场作用下单量子位态的共振激发
4.4 两量子位门操作
4.4.1 相互作用表象中的时间演化算子
4.4.2 BakerGCampbellGHausdorf公式
4.4.3 利用特殊形式的两体相互作用执行两量子位门操作
4.4.4 相互作用势取Ising势时的两量子位门操作
4.5 辐射场和物质量子位的相互作用
4.5.1 辐射场的 Hamilton量？电磁场的量子化
4.5.2 原子？离子系统的 Hamilton量
4.5.3 辐射场和两能级原子的相互作用？旋转波近似
4.6 量子计算机系统消相干理论