Оглавление
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
Оглавление   7
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
8   Оглавление
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
Оглавление   9
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
10   Оглавление
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
Оглавление   11
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
12   Оглавление