量子计算导论（英文版）

定　　价：129 元

• 作者：查克·伊斯特姆
• 出版时间：2023/4/1
• ISBN：9787121446047
• 出 版 社：电子工业出版社

• 中图法分类：TP385 
• 页码：352
• 版次：01
• 开本：16开

内容简介

本书清晰介绍了量子计算的核心概念、术语和技术，涵盖必备的数学、物理学和信息论的基础知识，同时提供了量子编程动手实践。本书揭开了隐藏在量子计算中的技术概念和数学原理的神秘面纱，展示了量子计算系统的设计和构建方式，解释了量子计算系统对网络安全的影响，同时概括了抗量子密码学的进展。本书还扼要地介绍了当今先进的量子编程语言Microsoft Q#和QASM。本书各章包含的习题测试和示例项目有助于读者深入理解和运用所学知识。本书文字浅显易懂，是量子计算初学者的完美指南。

作者介绍

查克·伊斯特姆博士在计算机安全、取证和密码学等领域出版了31部著作，其中部分著作已被60多所高校用作教材。伊斯特姆博士还在数字取证、网络战、密码学和应用数学等领域发表过大量学术论文（超过70篇），同时拥有22项计算机科学发明专利。他拥有3个博士学位：网络安全方面的科学博士学位（论文题目为a study of lattice-based cryptographic algorithms for post-quantum computing），纳米技术方面的技术博士学位（论文题目为The Effects of Complexity on Carbon Nanotube Failures），以及计算机科学博士学位（论文题目为On the Application of Graph Theory to Digital Forensics）。此外，他还拥有应用计算机科学、教育学和系统工程3个专业的硕士学位。伊斯特姆博士还是电气电子工程师学会（IEEE）和国际计算机协会（ACM）资深会员，国际密码研究协会（IACR）和系统工程国际委员会（INCOSE）会员，以及ACM杰出演讲者和IEEE杰出访问者。伊斯特姆博士现任乔治城大学兼职讲师。

目 录

Credits............................................................................................................... 15
Chapter 1 线性代数入门 ................................................................................. 16
1.1 什么是线性代数 ................................................................................................. 17
1.2 代数入门 ............................................................................................................. 18
1.2.1 群、环和域 ............................................................................................. 20
1.3 矩阵数学 ............................................................................................................. 24
1.3.1 矩阵加法和乘法 ..................................................................................... 25
1.3.2 矩阵转置 ................................................................................................. 27
1.3.3 子矩阵 ..................................................................................................... 28
1.3.4 单位矩阵 ................................................................................................. 29
1.3.5 深入了解矩阵 ......................................................................................... 30
1.4 向量和向量空间 ................................................................................................. 37
1.5 集合论 ................................................................................................................. 39
1.6 小结 ..................................................................................................................... 43
Chapter 2 复数................................................................................................ 46
2.1 什么是复数 ......................................................................................................... 46
2.2 复数的代数运算 ................................................................................................. 48
2.3 用图形表示复数 ................................................................................................. 52
2.4 用向量表示复数 ................................................................................................. 59
2.5 泡利矩阵 ............................................................................................................. 62
2.5.1 泡利矩阵的代数性质 ............................................................................. 66
2.6 超越数 ................................................................................................................. 70
2.7 小结 ..................................................................................................................... 72
Chapter 3 量子计算的物理学基础 ................................................................... 74
3.1 量子之旅 ............................................................................................................. 75
3.2 量子物理学要点 ................................................................................................. 79
3.2.1 基本原子结构 ......................................................................................... 79
3.2.2 希尔伯特空间 ......................................................................................... 82
3.2.3 不确定性 ................................................................................................. 84
3.2.4 量子态 ..................................................................................................... 87
3.2.5 量子纠缠 ................................................................................................. 89
3.3 小结 ..................................................................................................................... 91
Chapter 4 量子计算的计算机科学基础............................................................ 94
4.1 数据结构 ............................................................................................................. 95
4.1.1 列表 ......................................................................................................... 95
4.1.2 二叉树 ................................................................................................... 102
4.2 算法 ................................................................................................................... 102
4.2.1 排序算法 ............................................................................................... 104
4.3 计算复杂性理论 ............................................................................................... 107
4.3.1 圈复杂度 ............................................................................................... 107
4.3.2 霍尔斯特德度量指标 ........................................................................... 108
4.4 编码理论 ........................................................................................................... 109
4.5 逻辑门 ............................................................................................................... 110
4.5.1 与 ........................................................................................................... 110
4.5.2 或 ........................................................................................................... 110
4.5.3 异或 ....................................................................................................... 110
4.5.4 逻辑门的应用 ........................................................................................ 111
4.6 计算机架构 ....................................................................................................... 114
4.7 小结 ................................................................................................................... 117
Chapter 5 信息论基础 ................................................................................... 120
5.1 基本概率 ........................................................................................................... 121
5.1.1 基本概率规则 ....................................................................................... 121
5.2 集合论 ............................................................................................................... 122
5.3 信息论 ............................................................................................................... 126
5.3.1 定理 1：香农的信源编码定理 ............................................................. 127
5.3.2 定理 2：有噪信道编码定理 ................................................................. 127
5.3.3 信息熵 ................................................................................................... 127
5.3.4 信息多样性 ........................................................................................... 130
5.4 量子信息论 ....................................................................................................... 132
5.5 小结 ................................................................................................................... 134
Chapter 6 量子理论基础 ............................................................................... 136
6.1 量子力学进阶 ................................................................................................... 137
6.1.1 狄拉克符号 ........................................................................................... 137
6.1.2 哈密顿算符 ........................................................................................... 138
6.1.3 波函数坍缩 ........................................................................................... 139
6.1.4 薛定谔方程 ........................................................................................... 142
6.2 量子退相干 ....................................................................................................... 143
6.3 量子电动力学 ................................................................................................... 145
6.4 量子色动力学 ................................................................................................... 147
6.5 费曼图 ............................................................................................................... 148
6.6 小结 ................................................................................................................... 150
Chapter 7 量子纠缠与量子密钥分发 ............................................................. 152
7.1 量子纠缠 ........................................................................................................... 152
7.2 诠释 ................................................................................................................... 157
7.2.1 哥本哈根诠释 ....................................................................................... 158
7.2.2 多重世界诠释 ....................................................................................... 158
7.2.3 退相干历史诠释 ................................................................................... 159
7.2.4 客观坍缩理论 ....................................................................................... 159
7.3 量子密钥交换 ................................................................................................... 160
7.3.1 BB84 协议 ............................................................................................ 160
7.3.2 B92 协议 ............................................................................................... 163
7.3.3 SARG04 协议 ....................................................................................... 163
7.3.4 六态协议 ............................................................................................... 165
7.3.5 E91 协议 ................................................................................................ 165
7.3.6 协议的实现 ........................................................................................... 165
7.4 小结 ................................................................................................................... 165
Chapter 8 量子架构 ...................................................................................... 168
8.1 深入了解量子位 ............................................................................................... 168
8.2 量子门 ............................................................................................................... 172
8.2.1 阿达玛门 ............................................................................................... 173
8.2.2 相移门 ................................................................................................... 175
8.2.3 泡利门 ................................................................................................... 175
8.2.4 交换门 ................................................................................................... 176
8.2.5 弗雷德金门 ........................................................................................... 177
8.2.6 托佛利门 ............................................................................................... 177
8.2.7 受控门 ................................................................................................... 177
8.2.8 伊辛门 ................................................................................................... 178
8.2.9 Gottesman-Knill 定理 ............................................................................ 179
8.3 与门有关的更多信息 ....................................................................................... 180
8.4 量子电路 ........................................................................................................... 181
8.5 D-Wave 量子架构 ............................................................................................. 183
8.5.1 超导量子比特 ....................................................................................... 184
8.6 小结 ................................................................................................................... 186
Chapter 9 量子硬件 ...................................................................................... 188
9.1 量子位 ............................................................................................................... 188
9.1.1 光子 ....................................................................................................... 189
9.1.2 电子 ....................................................................................................... 191
9.1.3 离子 ....................................................................................................... 192
9.1.4 核磁共振量子计算 ............................................................................... 193
9.1.5 玻色-爱因斯坦凝聚态量子计算 .......................................................... 193
9.1.6 砷化镓量子点 ....................................................................................... 195
9.2 需要多少个量子位 ........................................................................................... 195
9.3 解决退相干问题 ............................................................................................... 196
9.3.1 过冷 ....................................................................................................... 199
9.3.2 处理噪声 ............................................................................................... 199
9.3.3 过滤噪声 ............................................................................................... 200
9.4 拓扑量子计算 ................................................................................................... 200
9.4.1 编织理论基础 ....................................................................................... 200
9.4.2 编织理论进阶 ....................................................................................... 201
9.4.3 拓扑计算进阶 ....................................................................................... 201
9.5 量子计算机必备组件 ....................................................................................... 201
9.5.1 量子数据平面 ....................................................................................... 201
9.5.2 测量平面 ............................................................................................... 202
9.5.3 控制处理器平面 ................................................................................... 202
9.6 量子网络 ........................................................................................................... 202
9.6.1 东京量子密钥分发 ............................................................................... 202
9.6.2 京沪干线 ............................................................................................... 203
9.6.3 墨子号卫星 ........................................................................................... 203
9.6.4 分布式量子计算 ................................................................................... 204
9.7 小结 ................................................................................................................... 205
Chapter 10 量子算法 .................................................................................... 208
10.1 何为算法 ......................................................................................................... 208
10.2 多伊奇算法 ..................................................................................................... 211
10.3 多伊奇-约萨算法 ........................................................................................... 213
10.4 伯恩斯坦-瓦兹拉尼算法 ............................................................................... 215
10.5 西蒙算法 ......................................................................................................... 216
10.6 肖尔算法 ......................................................................................................... 217
10.6.1 量子周期查找函数 ............................................................................. 220
10.7 格罗弗算法 ..................................................................................................... 223
10.8 小结 ................................................................................................................. 225
Chapter 11 当代非对称算法 .......................................................................... 226
11.1 RSA ................................................................................................................. 227
11.1.1 RSA 示例 1 .......................................................................................... 229
11.1.2 RSA 示例 2 .......................................................................................... 229
11.1.3 因式分解 RSA 密钥 ............................................................................ 230
11.2 迪菲-赫尔曼算法 ........................................................................................... 230
11.2.1 艾尔加玛尔加密算法 .......................................................................... 231
11.2.2 MQV .................................................................................................... 233
11.3 椭圆曲线 ......................................................................................................... 233
11.3.1 椭圆曲线迪菲-赫尔曼算法 ................................................................ 238
11.3.2 椭圆曲线数字签名算法 ...................................................................... 239
11.4 小结 ................................................................................................................. 241
Chapter 12 量子计算对密码学的影响 ........................................................... 242
12.1 非对称密码学 ................................................................................................. 243
12.1.1 需要多少个量子位 ............................................................................. 244
12.2 特定算法 ......................................................................................................... 245
12.2.1 RSA ..................................................................................................... 245
12.2.2 迪菲-赫尔曼算法 ............................................................................... 245
12.2.3 椭圆曲线密码 ..................................................................................... 246
12.2.4 对称密码 ............................................................................................. 246
12.2.5 密码散列 ............................................................................................. 246
12.3 具体应用 ......................................................................................................... 247
12.3.1 数字证书 ............................................................................................. 247
12.3.2 SSL/TLS .............................................................................................. 248
12.3.4 公钥基础设施 ..................................................................................... 251
12.3.5 虚拟专用网络 ..................................................................................... 253
12.3.6 安全外壳协议 ..................................................................................... 254
12.4 小结 ................................................................................................................. 255
Chapter 13 基于格的密码学.......................................................................... 258
13.1 基于格的数学问题 ......................................................................................... 259
13.1.1 最短整数问题 ..................................................................................... 262
13.1.2 最短向量问题 ..................................................................................... 262
13.1.3 最近向量问题 ..................................................................................... 262
13.2 加密算法 ......................................................................................................... 263
13.2.1 NTRU .................................................................................................. 263
13.2.2 GGH ..................................................................................................... 266
13.2.3 佩克特环签名算法 ............................................................................. 267
13.3 解决格问题 ..................................................................................................... 270
13.3.1 LLL 算法 ............................................................................................. 270
13.4 小结 ................................................................................................................. 273
Chapter 14 多元密码学 ................................................................................. 276
14.1 数学 ................................................................................................................. 276
14.2 Matsumoto-Imai 算法 ..................................................................................... 278
14.3 隐域方程 ......................................................................................................... 280
14.4 多元二次数字签名方案 ................................................................................. 282
14.5 SFLASH .......................................................................................................... 283
14.6 小结 ................................................................................................................. 285
Chapter 15 后量子密码学的其他方法 ........................................................... 288
15.1 散列函数 ......................................................................................................... 288
15.1.1 Merkle-Damgaard ................................................................................ 289
15.1.2 SWIFFT ............................................................................................... 289
15.1.3 兰伯特签名 ......................................................................................... 291
15.2 基于编码的密码学 ......................................................................................... 293
15.2.1 McEliece .............................................................................................. 293
15.2.2 Niederreiter 密码系统 ......................................................................... 294
15.3 超奇异同源密钥交换 ..................................................................................... 295
15.3.1 椭圆曲线 ............................................................................................. 295
15.3.2 超奇异同源迪菲-赫尔曼算法 ............................................................ 299
15.4 小结 ................................................................................................................. 303
Chapter 16 使用 Q# ...................................................................................... 306
16.1 基本编程概念 ................................................................................................. 306
16.1.1 变量和语句 ......................................................................................... 306
16.1.2 控制结构 ............................................................................................. 309
16.1.3 面向对象程序设计 ............................................................................. 311
16.2 Q#入门 ............................................................................................................ 312
16.3 格罗弗算法 ..................................................................................................... 317
16.3.1 格罗弗算法回顾 ................................................................................. 317
16.3.2 格罗弗算法代码 ................................................................................. 318
16.4 多伊奇-约萨算法 ........................................................................................... 321
16.4.1 多伊奇-约萨算法回顾........................................................................ 322
16.4.2 多伊奇-约萨算法代码........................................................................ 322
16.5 位翻转 ............................................................................................................. 324
16.6 小结 ................................................................................................................. 325
Chapter 17 使用量子汇编语言 ...................................................................... 328
17.1 基本编程概念 ................................................................................................. 329
17.1.1 指令 ..................................................................................................... 329
17.1.2 命令行 ................................................................................................. 333
17.2 开始使用 QASM ............................................................................................. 333
17.3 量子纠错 ......................................................................................................... 334
17.4 格罗弗算法 ..................................................................................................... 336
17.4.1 格罗弗算法回顾 ................................................................................. 336
17.4.2 格罗弗算法代码 ................................................................................. 338
17.5 多伊奇-约萨算法 ........................................................................................... 340
17.5.1 多伊奇-约萨算法回顾........................................................................ 340
17.5.2 多伊奇-约萨算法代码........................................................................ 340
17.6 小结 ................................................................................................................. 342
Appendix A 章节测试答案 ............................................................................ 344