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量子計(jì)算是一個(gè)跨越計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科的新興交叉研究領(lǐng)域，其利用物理學(xué)中量子疊加、量子糾纏、量子酉變換等量子力學(xué)特性來(lái)完成計(jì)算及信息處理任務(wù)，通過(guò)設(shè)計(jì)高效的量子算法來(lái)降低完成計(jì)算任務(wù)所需的時(shí)間、空間或其他資源消耗，構(gòu)建新的計(jì)算體系范式，幫助提升計(jì)算效率和性能，有望從根本上解決計(jì)算中的一些困難問(wèn)題。量子計(jì)算并非經(jīng)典計(jì)算的單純加速版，而是一種全新的計(jì)算模型，其核心是如何借助量子力學(xué)的基本規(guī)律巧妙地設(shè)計(jì)量子算法來(lái)求解計(jì)算問(wèn)題，在信息科技飛速發(fā)展的今天，量子計(jì)算為解決日益凸顯的算力瓶頸問(wèn)題提供了新的可能方案。
本書(shū)從計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)角度出發(fā)，較為全面和系統(tǒng)地介紹了量子計(jì)算所需的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、常用量子算法、量子復(fù)雜性理論和量子糾錯(cuò)原理。具體來(lái)說(shuō)，第1講詳細(xì)介紹了量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)，包括量子計(jì)算中的基本數(shù)學(xué)概念、假設(shè)和符號(hào)，為讀者閱讀后續(xù)章節(jié)提供了便利；第2講Shor素因數(shù)分解算法，介紹Shor提出的求解大整數(shù)素因數(shù)分解問(wèn)題的量子算法，該算法比當(dāng)前最好的經(jīng)典算法具有指數(shù)量級(jí)加速效果，充分展示了量子計(jì)算理論上的優(yōu)越性；第3講Grover搜索算法，系統(tǒng)介紹Grover提出的量子搜索算法相關(guān)內(nèi)容，包括算法步驟、正確性、復(fù)雜性分析、最優(yōu)性證明，以及Grover算法的進(jìn)一步擴(kuò)展和典型應(yīng)用；第4講線(xiàn)性方程組的量子求解算法，介紹兩類(lèi)具有指數(shù)量級(jí)加速效果和一類(lèi)具有多項(xiàng)式量級(jí)加速效果的求解線(xiàn)性方程組的量子算法；第5講和第6講量子游走基礎(chǔ)與應(yīng)用，集中講解量子游走算法，包括量子游走的各種模型及其之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、量子游走的通用性等，以及基于量子游走的算法和協(xié)議，如三角形搜索算法、多硬幣量子游走的通信理論和協(xié)議等；第7講量子計(jì)算復(fù)雜性，包括量子圖靈機(jī)與量子電路模型、量子多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜性類(lèi)BQP、量子交互式證明系統(tǒng)QIP等；第8講量子查詢(xún)復(fù)雜性模型，介紹在量子計(jì)算中普遍采用的量子查詢(xún)模型、幾個(gè)常見(jiàn)的量子查詢(xún)算法，以及兩種證明量子查詢(xún)復(fù)雜度下界的重要方法——多項(xiàng)式方法與對(duì)手法；第9講量子通信復(fù)雜性，介紹量子通信復(fù)雜性模型、高效通信協(xié)議、通信復(fù)雜度下界，并探討信息不完備與計(jì)算困難性之間的關(guān)系；第10講量子糾錯(cuò)，介紹量子糾錯(cuò)基本原理、糾錯(cuò)碼構(gòu)造、容錯(cuò)量子計(jì)算和量子糾錯(cuò)的研究現(xiàn)狀。上述十講的每一部分內(nèi)容都保持相對(duì)獨(dú)立，各自構(gòu)成一個(gè)完整的章節(jié)體系，同時(shí)各講之間又緊密聯(lián)系，共同構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。由于涉及多個(gè)不同的專(zhuān)題，本書(shū)對(duì)各專(zhuān)題領(lǐng)域內(nèi)的素材選取可能未能全面反映該專(zhuān)題的最新前沿進(jìn)展。但每一章節(jié)末尾均附有詳盡的參考文獻(xiàn)資料，以供有興趣的讀者進(jìn)一步深入鉆研。我們深知，任何一本書(shū)都無(wú)法完全涵蓋一個(gè)領(lǐng)域的全部知識(shí)或理論，仍有許多未知問(wèn)題有待挖掘。因此，我們希望本書(shū)能成為激發(fā)讀者對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域興趣與好奇心的火花，引導(dǎo)讀者勇敢探索和研究其中的未解難題。
本書(shū)由9位量子計(jì)算領(lǐng)域資深研究人員共同撰寫(xiě)完成，具體分工如下：第1講由陜西師范大學(xué)席政軍教授撰寫(xiě)，第2講由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所田國(guó)敬副研究員撰寫(xiě)，第3講由中山大學(xué)李綠周教授撰寫(xiě)，第4講由北京郵電大學(xué)高飛教授撰寫(xiě)，第5講和第6講由中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院尚云研究員撰寫(xiě)，第7講由清華大學(xué)季錚鋒教授撰寫(xiě)，第8講由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所孫曉明研究員撰寫(xiě)，第9講由南京大學(xué)姚鵬暉副教授撰寫(xiě)，第10講由清華大學(xué)魏朝暉助理教授撰寫(xiě)。孫曉明擔(dān)任本書(shū)主編，負(fù)責(zé)規(guī)劃本書(shū)的內(nèi)容結(jié)構(gòu)和召集、組織編寫(xiě)組撰寫(xiě)。他們均是量子計(jì)算領(lǐng)域的一線(xiàn)科研人員，擁有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和深厚的科研背景，近年來(lái)承擔(dān)了多個(gè)與量子計(jì)算緊密相關(guān)的國(guó)家重大科研項(xiàng)目，取得了一系列重要科研成果，而且還常年致力于高校量子計(jì)算課程的教學(xué)工作，積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的量子計(jì)算人才。
本書(shū)可作為高等院校計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理和信息安全等專(zhuān)業(yè)一年級(jí)研究生或高年級(jí)本科生學(xué)習(xí)量子計(jì)算的教材或參考書(shū)，總學(xué)時(shí)數(shù)建議為48~64學(xué)時(shí)；也可根據(jù)所在專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和需求，選擇其中的部分章節(jié)進(jìn)行教學(xué)，每一章建議的學(xué)時(shí)數(shù)為4~6學(xué)時(shí)。本書(shū)也可作為量子計(jì)算領(lǐng)域從業(yè)人員的參考書(shū)。
在此我們要向參與本書(shū)撰寫(xiě)、審稿、校對(duì)等工作的專(zhuān)家學(xué)者致以誠(chéng)摯的感謝！感謝你們的專(zhuān)業(yè)精神和辛勤付出，為本書(shū)的質(zhì)量提供了堅(jiān)實(shí)的保障。同時(shí)，也要感謝中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）、CCF“計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿叢書(shū)”編委會(huì)、理論計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)委會(huì)和北京西西艾弗信息科技有限公司。感謝本書(shū)所有讀者的包容與理解，盡管我們已經(jīng)盡力確保內(nèi)容文字的準(zhǔn)確性，但書(shū)中難免仍存在小的紕漏，期待并歡迎您提出寶貴的意見(jiàn)和建議。最后，衷心希望這本書(shū)能夠?qū)δ�有所啟發(fā)和幫助，感謝您的閱讀！

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2023/12/31