前言

欢迎阅读《量子计算Python与Q#编程实战》！本书以Python为起点，向你介绍量子计算的世界，以及如何用Q#（一种由微软公司开发的特定领域编程语言）编写解决方案。我们采用实例和游戏驱动的方法来讲授量子计算和开发的概念，让你能够尽早着手编写代码。

仅仅为了了解也无妨！

量子计算是一个丰富的跨学科研究领域，汇集了来自编程、物理、数学、工程和计算机科学的思想。在本书中，我们会不时地指出量子计算是如何借鉴这些其他领域的思想的，以便将我们正在学习的概念放入更丰富的背景。

虽然这些“题外话”是为了激发人们的好奇心和进一步的探索，但它们本质上是切题的。你无论是否投身于这些深入的研究，都会从本书中获得享受Python和Q#中的量子编程所需的知识。深入探究可能很有趣，也很有启发性，但如果深入量子计算不是你的爱好，那也没关系，抱着了解的目的来阅读本书也是完全可以的。

目标读者

本书是为那些对量子计算感兴趣，对量子力学几乎没有经验，但有一些编程背景的人准备的。介绍用Python编写量子模拟器、用Q#（微软的量子计算专用语言）编写量子程序时，我们将用传统的编程思想和技术来帮助你脱离困境。对编程概念有一定的了解（如循环、函数和变量赋值）是有益的。

同样，我们使用线性代数中的一些数学概念（如向量和矩阵）来帮助描述量子概念。你如果熟悉计算机图形学或机器学习，会发现许多概念是相似的。在这个过程中，我们通过Python来复习重要的数学概念，但熟悉线性代数是有益的。

本书的组织：路线图

本书旨在让你开始探索和使用量子计算的实用工具。本书分为三个部分，它们相辅相成。

■ 第一部分逐步介绍了描述“量子位”所需的概念，这是组成量子计算机的基本单位。这一部分描述了如何在Python中模拟量子位，以使编写简单的量子程序变得容易。

■ 第二部分描述了如何使用量子开发工具包和Q#编程语言来组成量子位和运行量子算法，这些算法的表现与任何已知的经典算法都不同。

■ 在第三部分，我们应用前两部分的工具和方法，学习如何将量子计算机应用于现实世界的问题，如模拟化学特性。

此外，本书还提供了4个附录。附录A有安装和配置本书中使用的工具的说明。附录B是术语和快速参考，包括量子术语、符号备忘录和代码片段，在你阅读本书的过程中可能会有所帮助。附录C是线性代数的复习资料。附录D是对你将要实现的一个算法的深入研究。

其他在线资源

在阅读本书和处理所提供的示例代码的途中，你可能会发现以下在线资源会对你有帮助。

■ 微软Azure Quantum文档：概念文档和关于Q#的全部参考资料，包括比本书内容更新的变化和补充。

■ GitHub上的microsoft/Quantum开发包示例：使用Q#的完整样本，包括其本身和Python及.NET中的宿主程序，涵盖广泛的不同应用。

■ QuTiP网站：完整的QuTiP软件包的用户指南，我们用它来帮助完成本书的数学运算。

对于量子计算专家和新手，也有一些很棒的社区。加入类似下面这样的量子开发社区，可以帮助你解决在学习过程中所遇到的问题，也可以让你在学习过程中帮助他人。

■ Q# Community：一个由Q#用户和开发者组成的社区，有聊天室、博客和项目库。

■ Quantum Computing Stack Exchange：一个寻求量子计算问题答案的好地方，包括你可能遇到的Q#问题。

■ WIQCA网站：一个包容性的网络社区，面向喜爱量子计算的所有人，以及使量子计算成为可能的人。

■ 量子开源基金会（Quantum Open Source Foundation，QOSF）：一个支持量子计算开放工具的开发和标准化的社区。

■ Unitary Fund：一个非营利组织，致力于创建一个惠及大多数人的量子技术生态系统。

走得更远

量子计算是一个迷人的新领域，它提供了思考计算的新方法和解决困难问题的新工具。本书可以帮助你入门量子计算，以便你继续探索和学习。也就是说，本书并不是一本教科书，也不是为了让你为量子计算研究做好全部准备。与经典算法一样，开发新的量子算法也是一门数学艺术。虽然我们在本书中触及了数学，并用它来解释算法，但有各种教科书可以帮助你建立在我们所涉及的想法之上的算法。

读完本书并开始接触量子计算后，如果想继续物理学或数学之旅，我们建议你选择以下资源。

■ Complexity Zoo网站。

■ Quantum Algorithm Zoo网站。

■ Complexity Theory: A Modern Approach ，作者是Sanjeev Arora和Boaz Barak（剑桥大学出版社，2009年）。

■ Quantum Computing: A Gentle Introduction ，作者是Eleanor G. Rieffel和Wolfgang H. Polak（麻省理工学院出版社，2011年）。

■ Quantum Computing since Democritus ^[1] ，作者是Scott Aaronson（剑桥大学出版社，2013年）。

■ Quantum Computation and Quantum Information ，作者是Michael A. Nielsen和Isaac L. Chuang（剑桥大学出版社，2000年）。

■ Quantum Processes Systems, and Information ，作者是Benjamin Schumacher和Michael Westmoreland（剑桥大学出版社，2010年）。

[1] 中译本为《量子计算公开课：从德谟克利特、计算复杂性到自由意志》（人民邮电出版社，2021年）。
——编者注