【Udemy中英字幕】Beginners guide: Practical Quantum Computing with IBM Qiskit

初学者指南：使用 IBM Qiskit 进行实用量子计算

基于 IBM Qiskit 文档的完美初学者指南，用于学习和了解通用量子计算

讲师：Abhilash Nelson

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您将学到什么

根据 IBM Qiskit 文档学习和了解通用量子计算

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要求

基本的计算机知识和对量子计算的热情是唯一的先决条件

描述

您好，欢迎来到我的新课程《IBM Qiskit 实用量子计算入门指南》。我们当前的经典计算技术基于位或二进制数字 1 和 0。1 表示开启，0 表示关闭。尽管它有两种状态，但一个位一次只能存在于一种状态。就像一枚硬币有正面和反面两个面一样。

注意：在传统计算机中，程序员只需编写高级代码并运行即可。但对于量子计算机，我们必须设计电路来执行特定任务。

量子计算概念与传统计算概念完全不同。它利用电子等微小亚原子粒子的量子力学特性进行计算。量子比特或量子位不是使用 1 和 0，而是使用电子的自旋位置“上”和“下”。

但与比特不同的是，量子比特可以同时处于两种状态。就像一枚硬币不停地旋转，我们可以说它正面和反面的概率是相等的。或者说它同时是正面和反面。

例如，考虑用 1 位计算来寻找最佳路径。0 表示右，1 表示左。单比特的传统计算机必须先将比特设置为 0 才能走左路，然后再将比特设置为 1 才能走右路，以找到最佳路径。但单量子位的量子计算机可以同时走两条路径，并且仅用一半的时间就能得出解决方案。

随着量子比特数量的增加，与传统计算机相比，其速度呈指数级增长。数据分析、人工智能等需要大量并行处理能力的计算可以在几毫秒内完成，而现在需要很长时间才能完成。

尽管量子计算机不会取代我们的笔记本电脑或手机，但它将能够解决传统计算机在数据处理方面的这些障碍。最近，谷歌宣布其实验室中拥有一台比任何传统计算机都快 1 亿倍的量子计算机。

课程的第一部分从第 1 节到第 6 节，我们将学习量子力学和量子比特的基本细节，从量子力学的介绍开始。我们将尝试以最简单的方式快速理解量子力学和经典物理学之间的区别、粒子的双重性质、双缝实验、叠加、量子纠缠等。

在下一节中，我们将讨论经典比特和量子比特（称为量子位）之间的区别。创建、表示和处理经典比特。然后讨论如何生成量子比特、量子比特内部有什么、如何在量子比特中表示数据以及是什么使其比经典比特更快。

然后我们将详细了解量子比特是如何创建的以及它如何保留信息。我们还将讨论量子计算机的结构以及量子比特在其中的处理方式。

然后我们将学习标量和向量。如何使用向量和矩阵来表示量子比特的状态。关于将量子比特表示为 Ket 向量和矩阵。我们还将学习基本的矩阵运算。

在了解了经典比特和量子比特之后，我们现在可以继续学习门。首先，我们将学习经典门、其工作原理以及不同类型的经典门及其真值表。

在下节课中，我们将了解研究量子计算机的领先公司的流行量子框架及其优点和缺点。

概念明确后，我们现在可以开始课程的实践部分。首先，我们将通过安装 Python 环境来设置我们的计算机。安装名为 anaconda 的 Python 发行版可轻松完成此操作。然后，我们将继续安装和测试 IBM 的量子框架 qiskit

一旦我们的计算机中安装了 qiskit 并且量子模拟器运行起来，我们将使用称为 Pauli x 门的简单量子门来编写我们的第一个量子电路。稍后我们将尝试自定义 Pauli x 门的输入和输出并验证操作。

一旦我们在模拟器中验证了这一点，我们就可以在真正的量子计算机中尝试了。IBM 提供了位于世界各地研究机构的量子计算机的访问权限。使用 IBM 量子体验界面，我们可以简单地创建 Pauli x 门电路，使其在真正的量子计算机中工作并获得输出。

然后我们将检查如何使用狄拉克符号将矩阵表示为状态向量。我们将了解如何将 Pauli x 门矩阵表示为状态向量。

同样，我们将继续进行 Pauli Y 门。我们将首先检查状态向量并在 qiskit 模拟器中尝试操作，然后在 IBM 真实量子计算机中实现它。

类似地，另一个门称为 Pauli Z 门。对于这个，我们也将首先了解 qiskit 模拟器中的操作，然后在真正的量子计算机中实现它。

在下一节中，我们将学习已经学过的 Pauli x、y 和 z 门的特征值和特征向量。

之后，我们将学习一种称为 Hadamard 门或 H 门的新门。这种门能够从经典量子比特生成叠加。我们将介绍 H 门的操作。然后我们将在 qiskit 模拟器中实现 H 门。我们将使用 qiskit 检查布洛赫球和直方图表示。

使用 H 门，我们还将尝试创建一些自定义电路，在这些电路中，我们将尝试仅使用 H 门和 Z 门复制 X 门操作。在下一个电路中，我们将

当我们测量量子比特时，检查叠加态崩溃的现象。

然后我们将在 IBM 量子计算机中尝试 Hadamard 门。

在 H 门之后，我们将花几个简短的时间来处理其他几个门。第一个称为 R Phi 门。然后我们将检查另外两个称为 S 门和 T 门的门。最后将处理 U 门和 I 门。我们将检查这些门的转换矩阵和操作。

那些是具有单量子比特操作的门。现在我们将继续讨论能够进行多量子比特操作的门。在此之前，我们将学习如何表示多量子比特及其状态。我们将使用一个名为 qiskit-notebook 的包来表示多 qiskit 状态向量。

首先，我们将尝试使用单量子比特门创建一个多量子比特电路。首先，我们将尝试将 X 门和 H 门组合起来形成电路。稍后，我们将尝试使用两个量子比特和一个门。

之后，我们将继续研究一个真正的多量子比特门，称为 CNOT 门或受控非门。我们将了解有关 CNOT 门、真值表及其操作的更多信息。首先，我们将尝试使用经典量子比特的 CNOT 门。我们将在 qiskit 中实现它。稍后，我们将尝试仅使用一个叠加量子比特的 CNOT 门，然后尝试使用两个叠加量子比特的 CNOT 门。

然后我们将继续在 IBM 的真实量子计算机中实现 CNOT 门。

我们还可以使用 CNOT 门创建恒等电路。使用这些等效电路，我们可以模拟其他门的操作，而这些操作在真实的量子计算机中是无法执行的。

首先，我们将使用包裹着 H 门的 CNOT 门创建一个身份电路，使其作用类似于放置在相反方向的 CNOT 门。

然后，我们将尝试另一个等效电路，在 Hadamard 门之间使用 CNOT 门，它将产生受控 Z 门或 CZ 门的操作。

就这样，我们将为另一个理论门创建一个等效电路，称为 CY 门或受控 Y 门。

还有一种门称为交换门。顾名思义，它可以交换量子比特状态。我们还将为交换门创建电路恒等式或电路等价式。

类似地，对于另一个称为 Tiffoli 门的门，我们将为 tiffoli 门创建电路标识或电路等价，并在 qiskit 中实现该电路。

关于门的介绍就这些了，现在我们将继续学习一种重要的算法，称为 Deutsch-Jozsa 算法或 DJ 算法，它展示了量子并行性。

该算法的底层数学非常复杂，我们只是尝试以非常浅显的方式学习它。首先，我们将看到该算法处理的 DJ 问题，然后我们将了解算法设计。我们稍后将在 qiskit 中实现它并验证结果。

然后我们将继续讨论两项有趣的技术。

第一种称为 QKD 或量子密钥分发，它利用量子系统的独特属性来生成和分发加密密钥。量子密码学也使用相同的物理原理通过专用通信链路传输几乎不可破解的数据。

然后我们将讨论量子隐形传态，这是一种将量子信息从一个位置的发送者传输到一定距离的接收者的技术。