Разработка с использованием квантовых компьютеров программирование квантовых машин в облаке: Python, Qiskit, Quantum Assembly language и IBM QExperience

Об авторе.....................................................................................................13

О научных редакторах..................................................................................14
Введение......................................................................................................15
От издательства...........................................................................................21
Глава 1. Странный и прекрасный мир квантовой механики.........................22
Двадцатое столетие — золотой век физики.............................................23
Макс Планк и ультрафиолетовая катастрофа, с которой все началось.....24
Квантовый переход Бора.........................................................................26
Битва титанов: коты Шредингера и принцип неопределенности..............26
Введение в универсальную волновую функцию................................28
Вероятностная интерпретация ψ: волновая функция была
призвана разгромить квантовую механику, а не стать
ее основой........................................................................................30
Кот Шредингера пытается сорвать вероятностную
вечеринку Борна...............................................................................31
Принцип неопределенности..............................................................32
Интерференция и двухщелевой эксперимент....................................34
Эйнштейн — Бору: «Бог не играет в кости».............................................35
Бор — Эйнштейну: «Не говори Богу, что ему делать»..............................37
Запутанность и ЭПР-парадокс: мистическое дальнодействие...................38
Неравенство Белла: проверка запутанности............................................39
ЭПР-парадокс разгромлен: Бор смеется последним..................................41
Реальность дурачит нас: все взаимосвязано?...........................................44
Глава 2. Квантовые вычисления: искривление ткани самой реальности......46
Транзистор вступает в противоречие с законами физики.........................47
Пятинанометровый транзистор: большая проблема.................................49
Квантовый масштаб и конец эпохи транзисторов.....................................51
Туннелирование электронов.............................................................51
Эксперименты со щелями.................................................................59
Вероятное будущее транзисторов............................................................60
Ричард Фейнман и квантовый компьютер................................................61
Кубит, странный и потрясающий одновременно......................................63
Суперпозиция состояний...................................................................64
Запутанность: наблюдение за кубитом изменяет состояние
его партнера.....................................................................................65
Управление кубитами с помощью квантовых вентилей.....................66
Проектирование кубитов..................................................................72
Квантовые компьютеры в сравнении с традиционным аппаратным обеспечением..................80
Сложные симуляции.........................................................................81
Молекулярное моделирование и новые материалы...........................82
Усовершенствованное глубокое обучение.........................................83
Квантовые нейронные сети и искусственный интеллект....................85
Подводные камни квантовых компьютеров: декогеренция
и интерференция.....................................................................................86
Декогеренция...................................................................................86
Квантовая коррекция ошибок...........................................................88
Процессор на 50 кубитах и задача для квантового
превосходства.........................................................................................91
Полемика о квантовом отжиге и минимизации энергии............................93
Две тысячи кубитов: все не так, как кажется....................................94
Квантовый отжиг: подмножество квантовых вычислений..................95
Универсальные квантовые вычисления и будущее...................................98
Google и квантовый искусственный интеллект..................................99
Квантовые машины в центрах обработки........................................100
Гонка становится глобальной.........................................................102
Будущие приложения......................................................................102
Глава 3. IBM Q Experience: уникальная платформа для квантовых вычислений в облаке............104
Первое знакомство с IBM Q Experience...................................................105
Квантовый Composer.......................................................................106
Квантовые вентили.........................................................................106
Доступное квантовое серверное ПО................................................109
Опус 1: вариации на тему состояний Белла и GHZ.................................115
Состояния Белла и мистическое дальнодействие............................115
Еще более необычно: проверка GHZ-состояний..............................121
Супердетерминизм: уход от мистичности. Был ли Эйнштейн
прав все это время?........................................................................126
Удаленный доступ через REST API.........................................................129
Аутентификация.............................................................................130
Перечисление доступного серверного ПО.......................................131
Получение информации о калибровке заданного
процессора.....................................................................................133
Получение параметров серверного ПО...........................................135
Получение статуса очереди процессора..........................................138
Перечисление заданий в очереди выполнения...............................139
Получение информации о балансе аккаунта...................................140
Список экспериментов пользователя..............................................142
Запуск эксперимента......................................................................143
Запуск задания...............................................................................149
Получение версии API.....................................................................152
Клиент Node JS для IBMQuantumExperience...........................................153
Построение модуля Node для IBMQuantumExperience......................154
Экспорт методов API.......................................................................155
Аутентификация с использованием токена.....................................156
Перечисление серверного ПО.........................................................158
Перечисление параметров калибровки...........................................160
Старт эксперимента........................................................................161
Отладка и тестирование.................................................................163
Поделитесь с миром — опубликуйте свой модуль...........................165
Глава 4. QISKit — отличный SDK для квантового программирования на Python...............167
Установка QISKit....................................................................................168
Настройка в Windows......................................................................168
Настройка в Linux CentOS...............................................................169
Кубит 101: базовая алгебра...................................................................173
Алгебраическое представление квантового бита............................174
Изменение состояния кубита с помощью квантовых
вентилей.........................................................................................177
Универсальные квантовые вычисления позволяют
получить решение быстрее, чем классические................................185
Ваша первая квантовая программа........................................................186
Внутренние компоненты SDK: компиляция схемы и QASM...............190
Запуск на реальном квантовом устройстве......................................200
Квантовый ассемблер: мощь, скрытая за кулисами................................211
Глава 5. Запускаем движки: от квантовой генерации
случайных чисел до телепортации с остановкой
на сверхплотном кодировании....................................................................217
Квантовый генератор случайных чисел..................................................217
Генератор случайных битов на основе вентиля Адамара.................218
Тестирование результатов на случайность......................................224
Сверхплотное кодирование....................................................................226
Схема в Composer...........................................................................228
Удаленный запуск с использованием Python...................................229
Результаты.....................................................................................231
Квантовая телепортация........................................................................234
Схема в Composer...........................................................................236
Удаленный запуск с помощью Python..............................................237
Результаты.....................................................................................242
Глава 6. Развлекаемся квантовыми играми...............................................246
Quantum Battleship с изюминкой............................................................247
Инструкции по настройке................................................................248
Инициализация...............................................................................249
Размещение кораблей на игровом поле..........................................250
Основной цикл и результаты..........................................................252
Cloud Battleship: модификация удаленного доступа................................258
Упражнение 6.1. Разделение интерфейса пользователя
и логики игры.................................................................................259
Упражнение 6.2. Создание веб-интерфейса для игрового поля.......260
Упражнение 6.3. Развертывание и устранение неполадок
на сервере Apache..........................................................................262
Решение 6.1. Программа на Python, позволяющая повторное использование.............263
Решение 6.2. Интерфейс пользователя...........................................269
Решение 6.3. Развертывание и тестирование..................................281
Устранение ошибок.........................................................................284
Дополнительные улучшения...........................................................287
Глава 7. Теория игр: с квантовой механикой преимущество всегда
на вашей стороне.......................................................................................300
Загадка про фальшивую монету............................................................300
Квантовый способ решения............................................................302
Шаг 1. Запрос к квантовым весам...................................................303
Шаг 2. Создание квантовых весов...................................................307
Шаг 3. Определение фальшивой монеты........................................307
Обобщенный алгоритм для любого количества
фальшивых монет...........................................................................309
Магический квадрат Мермина — Переса................................................310
Упражнение для магического квадрата Мермина — Переса............312
Квантовая стратегия победы...........................................................313
Общее запутанное состояние..........................................................313
Унитарные преобразования............................................................315
Измерение в вычислительном базисе..............................................321
Ответы для упражнения с магическим квадратом...........................325
Глава 8. Алгоритмы Гровера и Шора: ускоренный поиск
и угроза основам асимметричного шифрования..........................................327
Квантовый неструктурированный поиск.................................................328
Фазовая инверсия...........................................................................329
Инверсия относительно среднего значения....................................330
Практическая реализация...............................................................331
Обобщенная схема..........................................................................335
Факторизация целых чисел при помощи алгоритма Шора......................338
Квантовая факторизация бросает вызов асимметричному шифрованию................338
Нахождение периода......................................................................340
Алгоритм Шора с использованием ProjectQ.....................................344