Изучаем квантовые вычисления на Python и Q# (5000,00 руб.)

Стр.5

Стр.8

Стр.9

Стр.10

Стр.11

Стр.12

УДК 519.588 ББК 22.314 К15 К15 Изучаем квантовые вычисления на Python и Q# / пер. с анг. А. В. Логунова. – М.: ДМК Пресс, 2021. – 430 с.: ил. Кайзер С., Гранад К. ISBN 978-5-97060-935-4 Технологический прорыв, связанный с распространением квантовых компьютеров, уже не за горами. В этой книге технологии будущего обсуждаются с практической стороны: комплект инструментов от компании Microsoft и язык Q# предоставляют вам возможность поупражняться в квантовых вычислениях. В части I вы создадите симулятор квантового устройства на языке Python, в части II научитесь применять новые навыки написания квантовых приложений с помощью языка Q# и Комплекта инструментов для квантовой разработки, а в части III – имплементировать алгоритм, который умножает целые числа экспоненциально быстрее, чем самый лучший из известных стандартных алгоритмов. Издание предназначено для разработчиков программного обеспечения. Предварительного опыта работы с квантовыми вычислениями, а также знания математики или физики на продвинутом уровне не требуется. УДК 519.588 ББК 22.314 Original English language edition published by Manning Publications USA, USA. Russian-language edition copyright © 2021 by DMK Press. All rights reserved. Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. ISBN 978-1-6172-9613-0 (англ.) ISBN 978-5-97060-935-4 (рус.) © Manning Publications, 2021 © Перевод, оформление, издание, ДМК Пресс, 2021

Стр.5

Содержание Вводное слово ...........................................................................................12 Предисловие .............................................................................................14 Признательности .....................................................................................16 О книге .......................................................................................................18 Об авторах .................................................................................................23 Об иллюстрации на обложке .................................................................24 Часть I ПРИСТУПАЕМ К РАБОТЕ С КВАНТОМ ...........25 Введение в квантовые вычисления ........................................26 1 2 1.1 Почему квантовые вычисления имеют значение? ................27 1.2 Что такое квантовый компьютер? .............................................29 1.3 Как мы будем использовать квантовые компьютеры? ........32 1.3.1 Что квантовые компьютеры могут делать? .......................34 1.3.2 Чего квантовые компьютеры не могут делать? ..................36 1.4 Что такое программа? ..................................................................38 1.4.1 Что такое квантовая программа? .......................................40 Резюме .......................................................................................................40 Кубиты: строительные блоки .................................................42 2.1 Зачем нужны случайные числа? ................................................43 2.2 Что такое классические биты? ...................................................47 2.2.1 Что можно делать с классическими битами? ......................49 2.2.2 Абстракции – наши друзья ....................................................52 2.3 Кубиты: состояния и операции ..................................................54 2.3.1 Состояние кубита .................................................................54 2.3.2 Игра в операции .....................................................................57 2.3.3 Измерение кубитов ................................................................61

Стр.8

8 Содержание 2.3.4 Обобщение измерения: независимость от базиса ................66 2.3.5 Симулирование кубитов в исходном коде ..............................69 2.4 Программирование рабочего QRNG-генератора ...................75 Резюме .......................................................................................................82 3 4 5 6 Обмен секретами с помощью квантового распределения ключей ...................................................................83 3.1 В любви и шифровании все средства хороши ........................83 3.1.1 Квантовые операции NOT......................................................87 3.1.2 Обмен классических битов с кубитами .................................91 3.2 Сказка о двух базисах ...................................................................93 3.3 Квантовое распределение ключей: BB84 .................................97 3.4 Использование секретного ключа для отправки секретных сообщений ................................................................102 Резюме .....................................................................................................105 Нелокальные игры: работа с несколькими кубитами ............................................................................................107 4.1 Нелокальные игры ......................................................................107 4.1.1 Что такое нелокальные игры? ............................................108 4.1.2 Тестирование квантовой физики: игра CHSH ....................108 4.1.3 Классическая стратегия ......................................................112 4.2 Работа с многокубитовыми состояниями .............................113 4.2.1 Реестры ................................................................................114 4.2.2 Почему трудно симулировать квантовые компьютеры? ....116 4.2.3 Тензорные произведения для подготовки состояний ..........118 4.2.4 Тензорные произведения для кубитовых операций на реестрах ..........................................................................120 Резюме .....................................................................................................124 Нелокальные игры: имплементирование многокубитового симулятора ...............................................125 5.1 Квантовые объекты в QuTiP .....................................................126 5.1.1 Модернизация симулятора ..................................................132 5.1.2 Измерение: как измерить несколько кубитов? ...................136 5.2 Игра CHSH: квантовая стратегия .............................................140 Резюме .....................................................................................................145 Телепортация и запутанность: перемещение квантовых данных с места на место ...............................146 6.1 Перемещение квантовых данных ...........................................147 6.1.1 Обменные операции в симуляторе ......................................150 6.1.2 Какие еще существуют двухкубитовые вентили? ..............154

Стр.9

Содержание 9 6.2 Все одиночные (однокубитовые) повороты ..........................157 6.2.1 Привязка поворотов к координатам: операции Паули ......159 6.3 Телепортация ...............................................................................167 Резюме .....................................................................................................170 Часть I: заключение ..............................................................................171 Часть II ПРОГРАММИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ АЛГОРИТМОВ НА Q# ....................................................172 7 8 Перевес в другую пользу: введение в язык программирования Q# ................................................................173 7.1 Введение в Комплект инструментов для квантовой разработки ....................................................................................174 7.2 Функции и операции в Q# .........................................................178 7.2.1 Игры с квантовыми генераторами случайных чисел на Q# .....................................................................................178 7.3 Передача операций в качестве аргументов ..........................185 7.4 Игра Морганы на Q# ...................................................................191 Резюме .....................................................................................................194 Что такое квантовый алгоритм ........................................195 8.1 Классические и квантовые алгоритмы ..................................196 8.2 Алгоритм Дойча–Йожи: умеренные улучшения 8.3 Оракулы: представление классических функций для проведения поиска ..............................................................199 8.2.1 Владычица (квантового) озера ............................................199 в квантовых алгоритмах ............................................................205 8.3.1 Преобразования Мерлина ....................................................206 8.3.2 Обобщение наших результатов ..........................................210 8.4 Симулирование алгоритма Дойча–Йожи на Q# ...................216 8.5 Размышления о квантово-алгоритмических техниках ......220 8.5.1 Ботинки и носки: применение и откат квантовых операций ...............................................................................220 8.5.2 Использование инструкций Адамара для переворачивания управления и цели ..............................224 8.6 Фазовая отдача: ключ к нашему успеху .................................226 Резюме .....................................................................................................231 9 Квантовая телеметрия: это не просто фаза ............232 9.1 Фазовое оценивание: использование полезных свойств кубитов для измерения ..............................................233 9.1.1 Часть и частичное применение ...........................................233 9.2 Пользовательские типы .............................................................238

Стр.10

10 Содержание 9.3 Беги, змейка, беги: выполнение Q# из Python .....................246 9.4 Собственные состояния и локальные фазы ..........................252 9.5 Контролируемое применение: превращение 9.6 Имплементирование лучшей стратегии Ланселота для игры с оцениванием фазы .................................................264 глобальных фаз в локальные фазы .........................................257 9.5.1 Управление любой операцией ...............................................261 Резюме .....................................................................................................267 Часть II: заключение .............................................................................268 Часть III ПРИКЛАДНЫЕ КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ ....................................................................269 10 Решение химических задач с по мощью квантовых компьютеров ..........................................................270 10.1 Реальные химические приложения для квантовых вычислений ..................................................................................270 10.2 Много путей ведут к квантовой механике ............................273 10.3 Использование гамильтониан для описания эволюции квантовых систем во времени .................................................276 10.4 Поворачивание вокруг произвольных осей с помощью операций Паули ...........................................................................282 10.5 Внесение изменений, которые мы хотим видеть в системе .......................................................................................291 10.6 Претерпевая (очень малые) изменения .................................293 10.7 Окончательная сборка ...............................................................296 Резюме .....................................................................................................303 11 12 Поиск с по мощью квантовых компьютеров .................304 11.1 Поиск по неструктурированным данным .............................305 11.2 Отражение вокруг состояний ...................................................312 11.2.1 Отражение вокруг состояния «все единицы» ......................313 11.2.2 Отражение вокруг произвольного состояния .....................315 11.3 Имплементирование поискового алгоритма Гровера ........321 11.4 Оценивание ресурсов .................................................................330 Резюме .....................................................................................................336 Арифметика с по мощью квантовых компьютеров ....................................................................................337 12.1 Включение квантовых вычислений в обеспечение безопасности ................................................................................338

Стр.11

Содержание 11 12.2 Подключение модульной математики к факторизации ....343 12.2.1 Пример факторизации с использованием алгоритма Шора .....................................................................................347 12.3 Классическая алгебра и факторизация ..................................348 12.4 Квантовая арифметика ..............................................................353 12.4.1 Сложение с по мощью кубитов .............................................354 12.4.2 Умножение с кубитами в суперпозиции ..............................355 12.4.3 Модульное умножение в алгоритме Шора ...........................359 12.5 Окончательная сборка ...............................................................363 Резюме .....................................................................................................368 Заключение .............................................................................................369 Приложение А. Инсталлирование требуемого программно-информационного обеспечения ...............................372 Приложение В. Глоссарий и краткий справочник ..........................381 Приложение С. Памятка по линейной алгебре ..............................394 Приложение D. Разведывательный анализ алгоритма Дойча–Йожи на примере .....................................................................409 Предметный указатель.........................................................................422

Стр.12