林侑恆聯合編著

Ⅰ導讀 /前言001
Ⅱ歷史介紹 /前言003
介紹與基礎/001
第一章 量子物理的世界 /003
第1 節 從古典物理到量子物理 / 003
第2 節 什麼是量子？ / 011
第3 節 量子現象與實驗發展 / 013
第4 節 量子界的三大支柱 / 017

第二章 數學基礎 / 037
第1 節 複數、三角函數與歐拉公式/ 037
第2 節 向量、矩陣與線性方程組 / 041
第3 節 Linear Transformation / 047
第4 節 Span、線性獨立 / 049
第5 節 特徵值與行列式 / 053

量子計算 /063
第三章 波函數（Wave Function）和狄拉克符號之間的關係 /065
第1 節 向量與函數的內積（inner product） / 079
第2 節 波函數坍縮（wave function collapse） / 089

第四章 量子計算的數學表示/092
第1 節 布洛赫球（Bloch Sphere） / 092
第2 節 疊加態 / 093
第3 節 糾纏態 / 095

第五章 量子測量背後的數學/096
Qiskit 實作 /099

第六章 Qiskit 環境設置 /101
第1 節 Qiskit 介紹 / 101
第2 節 Qiskit 環境安裝教學 / 103

第七章 Qiskit 量子閘實作 /109
第1 節 單量子閘 / 109
第2 節 多量子閘 / 139
第3 節 Qiskit 實地演練 / 163

第八章 IBM Q Experience / 206
第1 節 單量子位元邏輯閘 / 213
第2 節 雙量子位元邏輯閘 / 223
第3 節 三量子位元邏輯閘 / 229

量子演算法/233
第九章 Deutsch-Jozsa 演算法 /235
第1 節 Deutsch 演算法 / 235
第2 節 Deutsch-Jozsa 演算法 / 237
第3 節 實地演練 / 239

第十章 相位回擊 /242
第1 節 探索CNOT 閘 / 242
第2 節 相位回擊 / 247

第十一章 量子傅立葉轉換 /253
第1 節 傅立葉級數/ 253
第2 節 傅立葉轉換/ 257
第3 節 離散傅立葉轉換 / 257
第4 節 量子傅立葉轉換 / 258

第十二章 量子相位估計 /261

第十三章 Shor's 演算法 /263
第1 節 RSA 加密 / 263
第2 節 Shor's 演算法 / 264
第3 節 實地演練 / 268

第十四章 VQE 演算法 /276
第1 節 變分量子特徵值求解器 / 276
第2 節 變分量子特徵求解器 / 284

第十五章 量子隨機行走 /292
第1 節 古典隨機行走 / 292
第2 節 圓上的量子隨機行走 / 293

競 賽 /317
第十六章 量子電腦挑戰賽 /319
第1 節 2020 IBM 量子電腦挑戰賽 / 319
第2 節 ICPC Quantum Computing Challenge powered by IBM Quantum / 320

第十七章 量子黑客松 /322
第1 節 競賽機制 / 322
第2 節 題目發想 / 322

第十八章 競賽題實作 /335
第1 節 Grover 演算法 / 335
第2 節 熄燈拼圖 / 354
第3 節 四燈問題 / 360
第4 節 殲滅的小行星 / 374
第5 節 訓練量子邏輯 / 406
第6 節 計算n 個位元（大量輸入）的popcount 函數 / 413
第7 節 量子錯誤糾正 / 420

量子硬體 /433
第十九章 古典電腦的硬體 /435
第1 節 NMOS / 435
第2 節 Enhancement type / 436
第3 節 Depletion type / 437
第4 節 PMOS / 437
第5 節 互補型 MOS（CMOS） / 438
第6 節 FinFET / 438
第7 節 GAA / 439
第8 節 二維電晶體/ 440
延伸閱讀 / 442

第二十章 超導電路 /443
第1 節 超導量子電腦、稀釋性製冷機 / 443
第2 節 Superconducting Qubit / 444
第3 節 總結 / 471
延伸閱讀 / 473

第二十一章 離子阱量子電腦（Trapped Ion Quantum Computer） /474
第1 節 離子阱 / 474
第2 節 冷卻離子 / 478
第3 節 原子結構 / 482
第4 節 Qubit 量子邏輯閘實現 / 487
第5 節 Qubit 測量 / 492
第6 節 Qubit 初始化 / 493
第7 節 總結 / 493
延伸閱讀 / 495

第二十二章 Qiskit Pulse /496
第1 節 超導量子技術為何需要微波？ / 496
第2 節 脈衝是什麼？ / 499
第3 節 Qiskit pulse / 501
第4 節 校準和使用π 脈衝 / 509
結 論 /515

第二十三章 高中生的學習反思與總結 /517
第1 節 量子力學並不奇怪，只是我們太大了 / 518
第2 節 做中學、學中做，培養量子邏輯思維 / 518
第3 節 蛻變之地－量子挑戰賽 / 519

第二十四章 高中生Q&A / 521

第二十五章 競賽心得 /534
第1 節 入門者怎麼辦？ / 534
第2 節 IBM 2021 QUANTUM CHALLENGE / 534
第3 節 QCHack / 535
第4 節 以量子會友後，獲得什麼？ / 536
第5 節 與全國高中生一起學習－分享初衷和喜悅 / 536
第6 節 10 至20 年內，量子科技與AI 影響著台灣 / 537
第7 節 踏入量子時代後，我們的生活會變得不一樣 . 538
附 錄 /541
附錄1 Josephson Effect /543
附錄2 量子LC 電路能階計算 /545
參考文獻 / 547