Сара Кайзер , Кристофер Гранад - Изучаем квантовые вычисления на Python и Q#

Сара Кайзер и Кристофер Гранад

Изучаем квантовые вычисления
на Python и Q#

Learn Quantum Computing
with Python and Q#
A HANDS-ON APPROACH

AND

SARAH KAISER
CHRIS GRANADE

Изучаем квантовые
вычисления на Python и Q#
П РА К Т И Ч Е С К И Й П ОД ХОД

И

С А РА К А Й З Е Р
К Р И СТ О Ф Е Р Г РА Н А Д

Москва, 2021

УДК 519.588
ББК 22.314
К15

К15

Кайзер С., Гранад К.
Изучаем квантовые вычисления на Python и Q# / пер. с анг. А. В. Логунова. –
М.: ДМК Пресс, 2021. – 430 с.: ил.
ISBN 978-5-97060-935-4
Технологический прорыв, связанный с распространением квантовых компьютеров,
уже не за горами. В этой книге технологии будущего обсуждаются с практической
стороны: комплект инструментов от компании Microsoft и язык Q# предоставляют
вам возможность поупражняться в квантовых вычислениях.
В части I вы создадите симулятор квантового устройства на языке Python, в части II
научитесь применять новые навыки написания квантовых приложений с помощью
языка Q# и Комплекта инструментов для квантовой разработки, а в части III – имплементировать алгоритм, который умножает целые числа экспоненциально быстрее,
чем самый лучший из известных стандартных алгоритмов.
Издание предназначено для разработчиков программного обеспечения. Предварительного опыта работы с квантовыми вычислениями, а также знания математики
или физики на продвинутом уровне не требуется.

УДК 519.588
ББК 22.314

Original English language edition published by Manning Publications USA, USA. Russian-language
edition copyright © 2021 by DMK Press. All rights reserved.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой
бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

ISBN 978-1-6172-9613-0 (англ.)
ISBN 978-5-97060-935-4 (рус.)

© Manning Publications, 2021
© Перевод, оформление, издание, ДМК Пресс, 2021

Мы посвящаем эту книгу
следующему поколению квантовых разработчиков,
которые работают над тем, чтобы сделать эту сферу
более безопасной и инклюзивной

Оглавление
Часть I 
1 
2 
3 
4 
5 

6 


Приступаем к работе с квантом.............................................................25
Введение в квантовые вычисления........................................................26
Кубиты: строительные блоки.................................................................42
Обмен секретами с помощью квантового распределения ключей.....83
Нелокальные игры: работа с несколькими кубитами........................ 107
Нелокальные игры: имплементирование многокубитового
симулятора............................................................................................. 125
Телепортация и запутанность: перемещение квантовых данных
с места на место..................................................................................... 146

Часть II
7
8
9

Программирование квантовых алгоритмов на Q#............................. 172
Перевес в другую пользу: введение в язык программирования Q#.... 173
Что такое квантовый алгоритм............................................................ 195
Квантовая телеметрия: это не просто фаза......................................... 232

Часть III
10
11
12










Прикладные квантовые вычисления................................................... 269
Решение химических задач с по­мощью квантовых компьютеров.... 270
Поиск с по­мощью квантовых компьютеров........................................ 304
Арифметика с по­мощью квантовых компьютеров............................. 337

Содержание
Вводное слово. ..........................................................................................12
Предисловие..............................................................................................14
Признательности......................................................................................16
О книге........................................................................................................18
Об авторах..................................................................................................23
Об иллюстрации на обложке. ................................................................24

Часть I

1

ПРИСТУПАЕМ К РАБОТЕ С КВАНТОМ . ..........25

Введение в квантовые вычисления.........................................26
1.1
1.2
1.3

Почему квантовые вычисления имеют значение?.................27
Что такое квантовый компьютер?. ............................................29
Как мы будем использовать квантовые компьютеры?.........32

Что квантовые компьютеры могут делать?........................34
Чего квантовые компьютеры не могут делать?...................36
1.4 Что такое программа?...................................................................38
1.4.1 Что такое квантовая программа?........................................40
Резюме........................................................................................................40

2

1.3.1
1.3.2

Кубиты: строительные блоки..................................................42
2.1
2.2
2.3

Зачем нужны случайные --">