Python量子计算实践：基于Qiskit和IBM Quantum Experi

1.内容汇集作者多年工作经验的结晶，专业可靠，而且紧贴实际应用需求。
2.深入浅出的量子计算入门：从基础概念出发，通过简单的代码示例和直观的解释，帮助读者快速理解量子计算的基本原理。
3.书中避免复杂的理论框架，聚焦实际的编程实践和问题解决，即使没有深厚的物理背景也能轻松入门。
4.全面覆盖Qiskit工具包：深入探讨了Qiskit工具包的各个组成部分，包括Terra、Aer、Ignis和Aqua，并详细讲解了它们的优点和应用场景。读者将能够全面掌握量子程序的开发流程，从编写量子线路到优化量子算法，再到在真实硬件上运行和测试程序。
5.书中还详细介绍了如何使用预封装的量子算法，并通过实现Grover算法等案例，展示了量子算法与传统算法的不同之处，使得读者能够将理论知识应用于实际问题的解决中。

本书使用Qiskit开源框架和IBM Quantum Experience平台搭建一个量子计算平台，并借助Python来介绍实现量子编程的方法。
本书内容由浅入深，从搭建编程环境并编写一个简单的量子程序开始，介绍如何使用Python编写简单的脚本，Qiskit和IBM Quantum Experience进行交互的方法，概率计算、叠加和纠缠等基本概念，影响量子程序输出结果的各种物理因素，Qiskit量子门资源库，使用Aer模拟量子计算机，使用Ignis清理量子操作，Grover搜索算法，以及使用Aqua运行Grover算法和Shor算法等重要内容。
本书能够帮助读者学会使用Qiskit和IBM Quantum Experience，同时结合Python编程实践来实现量子比特的可视化并深入理解量子门、贝尔态、量子线路等概念，进一步掌握在实践中使用量子算法的方法。

[美]哈西·诺伦（Hassi Norlén），IBM沃森物联网解决方案的首席信息开发人员，致力于沃森物联网服务产品生态系统的开发。拥有超过15年工作经验，曾负责过Web内容管理、大数据分析、传感器和IoT、量子计算等多领域工作。

第 1章  搭建编程环境 1
1.1  技术要求 1
1.2  创建IBM Quantum Experience账号 2
1.2.1  准备工作 2
1.2.2  操作步骤 3
1.2.3  参考资料 4
1.3  安装Qiskit 4
1.3.1  准备工作 4
1.3.2  操作步骤 4
1.3.3  知识拓展 6
1.3.4  参考资料 6
1.4  下载示例代码 7
1.4.1  准备工作 7
1.4.2  操作步骤 7
1.4.3  运行原理 10
1.5  安装API密钥并访问提供服务的量子计算机 11
1.5.1  准备工作 11
1.5.2  操作步骤 11
1.5.3  运行原理 12
1.5.4  知识拓展 12
1.6  及时更新Qiskit环境 13
1.6.1  准备工作 13
1.6.2  操作步骤 14
1.6.3  运行原理 15

第 2章  基于Python的量子计算和量子比特 17
2.1  技术要求 17
2.2  比较经典比特和量子比特 18
2.2.1  准备工作 18
2.2.2  操作步骤 18
2.2.3  运行原理 20
2.2.4  参考资料 23
2.3  使用Python将量子比特可视化 23
2.3.1  准备工作 25
2.3.2  操作步骤 25
2.3.3  知识拓展 28
2.3.4  参考资料 29
2.4  量子门简介 29
2.4.1  准备工作 30
2.4.2  操作步骤 30
2.4.3  运行原理 32
2.4.4  知识拓展 36
2.4.5  参考资料 39

第3章  IBM Quantum Experience ——拖放式量子编程 40
3.1  技术要求 40
3.2  IBM Quantum Experience简介 41
3.2.1  Results 42
3.2.2  Circuit Composer 43
3.2.3  Quantum Lab 45
3.3  使用Circuit Composer搭建量子乐谱 46
3.3.1  操作步骤 46
3.3.2  知识拓展 50
3.4  量子抛硬币实验 52
3.4.1  操作步骤 52
3.4.2  知识拓展 55
3.5  不同软件之间的交互 58
3.5.1  准备工作 58
3.5.2  操作步骤 59
3.5.3  运行原理 62
3.5.4  知识拓展 63
3.5.5  参考资料 64

第4章  从Terra入门 65
4.1  技术要求 66
4.2  创建一个Qiskit量子程序 66
4.2.1  所需的类、模块和函数 66
4.2.2  使用量子寄存器和经典寄存器 67
4.2.3  理解量子线路 67
4.2.4  选择运行所需的后端 67
4.2.5  以作业形式运行量子线路 67
4.2.6  接收作业的结果 68
4.3  再谈量子抛硬币 68
4.3.1  准备工作 69
4.3.2  操作步骤 69
4.3.3  运行原理 71
4.4  获取统计数据——连续多次抛硬币 72
4.4.1  准备工作 72
4.4.2  操作步骤 73
4.4.3  运行原理 74
4.4.4  知识拓展 74
4.5  交换所抛硬币的正反面 75
4.5.1  准备工作 75
4.5.2  操作步骤 75
4.5.3  运行原理 77
4.5.4  知识拓展 77
4.6  同时抛两枚硬币 78
4.6.1  准备工作 78
4.6.2  操作步骤 78
4.6.3  运行原理 80
4.6.4  知识拓展 80
4.7  抛硬币中的量子作弊——贝尔态简介 80
4.7.1  准备工作 81
4.7.2  操作步骤 81
4.7.3  运行原理 83
4.7.4  知识拓展 84
4.7.5  参考资料 84
4.8  其他量子作弊方法——调整赔率 84
4.8.1  准备工作 84
4.8.2  操作步骤 85
4.8.3  运行原理 86
4.8.4  知识拓展 88
4.9  抛更多的硬币——直接方法和作弊方法 89
4.9.1  准备工作 89
4.9.2  操作步骤 89
4.9.3  运行原理 92
4.9.4  知识拓展 92
4.10  抛实体硬币 92
4.10.1  准备工作 93
4.10.2  操作步骤 93
4.10.3  运行原理 95
4.10.4  知识拓展 95

第5章  使用Qiskit工具访问IBM Quantum硬件 98
5.1  技术要求 98
5.2  什么是IBM Quantum机器 99
5.2.1  准备工作 99
5.2.2  操作步骤 99
5.2.3  运行原理 101
5.2.4  参考资料 101
5.3  定位到可用的后端 101
5.3.1  准备工作 102
5.3.2  操作步骤 102
5.3.3  知识拓展 105
5.3.4  参考资料 105
5.4  比较后端 105
5.4.1  准备工作 106
5.4.2  操作步骤 106
5.4.3  知识拓展 109
5.5  查询最空闲的后端 110
5.5.1  准备工作 110
5.5.2  操作步骤 110
5.6  使后端可视化 112
5.6.1  准备工作 113
5.6.2  操作步骤 113
5.6.3  知识拓展 115
5.6.4  参考资料 117
5.7  使用Qiskit探索选定的后端 117
5.7.1  准备工作 118
5.7.2  操作步骤 118
5.7.3  参考资料 121

第6章  Qiskit量子门资源库简介 123
6.1  技术要求 124
6.2  使量子门可视化 124
6.2.1  准备工作 124
6.2.2  操作步骤 126
6.2.3  运行原理 129
6.2.4  参考资料 132
6.3  使用泡利X门、泡利Y门和泡利Z门翻转量子比特 132
6.3.1  操作步骤 132
6.3.2  知识拓展 133
6.4  使用H门创建量子叠加 134
6.4.1  操作步骤 135
6.4.2  知识拓展 136
6.4.3  参考资料 136
6.5  使用量子相移门S、S 、T和T 将量子比特绕z轴旋转 136
6.5.1  操作步骤 137
6.5.2  知识拓展 138
6.6  使用Rx门、Ry门和Rz门将量子比特绕任意坐标轴自由旋转 138
6.6.1  操作步骤 139
6.6.2  知识拓展 140
6.7  使用基本量子门U1、U2、U3和ID搭建量子线路 140
6.7.1  U3量子门 141
6.7.2  U2量子门 141
6.7.3  U1量子门 141
6.7.4  准备工作 142
6.7.5  操作步骤 142
6.7.6  知识拓展 145
6.8  双量子比特门 146
6.8.1  准备工作 146
6.8.2  操作步骤 147
6.8.3  运行原理 148
6.8.4  知识拓展 149
6.8.5  参考资料 149
6.9  多量子比特门 149
6.9.1  操作步骤 150
6.9.2  知识拓展 152
6.10  量子线路的真面目 154
6.10.1  准备工作 155
6.10.2  操作步骤 157
6.10.3  知识拓展 159

第7章  使用Aer模拟量子计算机 166
7.1  技术要求 167
7.2  了解量子模拟器的用法 167
7.2.1  准备工作 167
7.2.2  操作步骤 167
7.2.3  知识拓展 171
7.2.4  参考资料 171
7.3  比较Qiskit Aer模拟器和IBM量子计算机 172
7.3.1  准备工作 172
7.3.2  操作步骤 172
7.3.3  运行原理 173
7.3.4  知识拓展 176
7.3.5  参考资料 176
7.4  将IBM Quantum后端的噪声配置文件添加到本地模拟器中 178
7.4.1  准备工作 178
7.4.2  操作步骤 178
7.4.3  参考资料 184
7.5  使用幺正模拟器加深对量子线路的理解 184
7.5.1  准备工作 185
7.5.2  操作步骤 185
7.6  使用态矢量模拟器进行诊断 188
7.6.1  准备工作 192
7.6.2  操作步骤 193
7.6.3  知识拓展 199

第8章  使用Ignis清理量子操作 200
8.1  技术要求 200
8.2  探索量子比特，理解T1、T2、误差和量子门 201
8.2.1  准备工作 201
8.2.2  操作步骤 203
8.2.3  运行原理 205
8.2.4  知识拓展 206
8.3  比较同一块芯片上的量子比特 208
8.3.1  准备工作 208
8.3.2  操作步骤 211
8.3.3  知识拓展 215
8.3.4  参考资料 215
8.4  估算可用时间内的量子门的数量 215
8.4.1  准备工作 216
8.4.2  操作步骤 219
8.4.3  知识拓展 222
8.4.4  参考资料 225
8.5  用读出校正来纠正预期结果 225
8.5.1  准备工作 226
8.5.2  操作步骤 228
8.6  用量子纠错减轻意外情况造成的影响 230
8.6.1  准备工作 231
8.6.2  操作步骤 235
8.6.3  运行原理 238
8.6.4  知识拓展 242
8.6.5  参考资料 242

第9章  Grover搜索算法 243
9.1  技术要求 243
9.2  了解量子相位反冲 244
9.2.1  准备工作 245
9.2.2  操作步骤 245
9.3  经典搜索算法简介 252
9.3.1  准备工作 252
9.3.2  操作步骤 252
9.4  搭建Grover搜索算法 254
9.4.1  准备工作 255
9.4.2  操作步骤 260
9.4.3  知识拓展 268
9.4.4  参考资料 269
9.5  使用3量子比特Grover算法进行搜索 270
操作步骤 270
9.6  在Grover搜索过程中加入更多量子比特 274
9.6.1  准备工作 275
9.6.2  操作步骤 276
9.6.3  知识拓展 281
9.7  在代码中使用Grover量子线路 282
9.7.1  准备工作 282
9.7.2  操作步骤 282
9.7.3  知识拓展 283

第 10章  使用Aqua了解算法 284
10.1  技术要求 284
10.2  以Aqua函数的形式运行Grover算法 284
10.2.1  准备工作 285
10.2.2  操作步骤 285
10.2.3  运行原理 290
10.2.4  知识拓展 290
10.3  以Aqua函数的形式运行Shor算法 293
10.3.1  准备工作 294
10.3.2  操作步骤 294
10.3.3  知识拓展 297
10.3.4  参考资料 298
10.4  了解Aqua中的更多算法 298
10.4.1  准备工作 299
10.4.2  操作步骤 299
10.4.3  知识拓展 300
10.4.4  参考资料 300
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