量子计算与量子优化算法

第1章量子力学基础

1.1从经典力学到量子力学

1.2量子力学发展的回顾

1.3量子力学的基本概念

1.3.1什么是量子力学

1.3.2量子态及其表象

1.3.3量子态的相干叠加性、纠缠性和坍缩

1.4量子力学的基本假设

1.4.1波函数的概率波诠释

1.4.2态叠加原理

1.4.3薛定谔方程

1.4.4算符化规则

1.4.5全同性原理

1.5量子力学的数学基础

1.5.1向量空间与希尔伯特空间

1.5.2狄拉克符号

1.5.3基与线性无关

1.5.4线性算子与矩阵

1.5.5内积、外积、张量积

第2章量子计算基础

2.1从经典信息到量子信息

2.2量子比特

2.2.1单量子比特

2.2.2双量子比特

2.2.3多量子比特

2.3量子逻辑门

2.3.1单比特量子门

2.3.2多比特量子门

2.3.3量子门的通用性

第3章基本量子算法

3.1量子计算的并行性

3.2Deutsch量子算法

3.3Shor量子算法

3.3.1因子分解问题求解的基本思想

3.3.2shor算法的实现步骤

3.4Grover量子算法

3.4.1基于黑箱的搜索思想

3.4.2Grover算法搜索步骤

3.4.3Grover算法搜索过程几何描述

3.4.4算法性能分析

第4章Grover量子搜索算法的改进

4.1Grover算法的国内外研究现状

4.1.1国外研究情况

4.1.2国内研究情况

4.2基本Grover算法存在的主要问题

4.3基于π／2相位旋转的改进算法

4.3.1相位匹配条件的改进

4.3.2改进后算法相位旋转的直观图示

4.3.3改进后的算法描述

4.3.4搜索实例

4.4使用局部扩散算子的量子搜索算法

4.4.1一步迭代搜索

4.4.2算法原理

4.4.3Younes算法与基本Grover算法对比

4.5基于自适应相位旋转的Grover算法

4.5.1搜索引擎描述

4.5.2自适应旋转相位的确定

4.5.3搜索举例

4.6基于目标加权的Grover算法

4.6.1目标量子叠加态的构造

4.6.2迭代算子的构造

4.6.3算法的迭代方程

4.6.4算法迭代方程的解

4.6.5算法的成功概率

4.6.6目标态概率幅迭代过程动态分析

4.6.7加权Grover算法与基本Grover算法的关系

4.6.8加权Grover算法的实现步骤

4.6.9加权Grover算法举例及分析

4.7基于自适应相位旋转的加权Grover算法

4.7.1算法原理

4.7.2算例分析

4.8基于固定相位旋转的Grover算法

4.9基于固定相位旋转的广义Grover算法

4.9.1构造迭代算子

4.9.2算子中α参数的确定

4.9.3算法需要的迭代步数

4.9.4广义Grover算法与其他算法的关系

4.9.5广义Grover算法与其他算法的对比

第5章量子遗传算法

5.1量子进化算法的国内外研究现状

5.1.1国外研究现状

5.1.2国内研究现状

5.2基本量子遗传算法

5.2.1算法原理

5.2.2算法结构

5.2.3算法实现过程

5.2.4算法仿真结果

5.3改进的量子遗传算法

5.3.1概述

5.3.2实数编码梯度量子遗传算法

5.3.3算法描述

5.3.4在求解连续优化问题中的应用

5.4基于量子位Bloch球面坐标的量子进化算法

5.4.1概述

5.4.2BQEA的基本原理

5.4.3算法描述

5.4.4BQEA的收敛性

5.4.5在函数优化及模式识别中的应用

第6章量子群智能优化算法

6.1混沌量子免疫算法

6.1.1概述

6.1.2算法原理

6.1.3收敛性分析

6.1.4在求解连续优化问题中的应用

6.2量子蚁群算法

6.2.1概述

6.2.2算法原理

6.2.3仿真结果及分析

6.3量子粒子群算法

6.3.1概述

6.3.2基本PSO算法

6.3.3量子粒子群优化算法

6.3.4仿真结果对比

第7章量子神经网络模型与算法

7.1量子神经网络的国内外研究现状

7.2基于通用量子门演化的量子神经网络

7.2.1量子位和通用量子门

7.2.2量子BP神经网络模型

7.2.3量子BP神经网络学习算法

7.2.4量子BP神经网络的连续性

7.2.5在平面点集分类和函数逼近中的应用

7.3基于量子加权的量子神经网络

7.3.1量子加权神经网络模型

7.3.2学习算法

7.3.3在双螺旋线分类及函数逼近中的应用

7.3.4在优化PID控制参数中的应用

7.4基于量子门线路的量子神经网络

7.4.1量子门及线路表示

7.4.2量子门线路神经网络模型

7.4.3学习算法

7.4.4在模式识别和函数逼近中的应用

7.5量子自组织特征映射网络

7.5.1量子自组织特征映射网络模型

7.5.2量子自组织特征映射网络聚类算法

7.5.3在IRIS数据聚类中的应用

第8章量子遗传算法在模糊神经控制中的应用

8.1解析描述控制规则的模糊控制器参数优化

8.1.1模糊控制规则的解析描述

8.1.2模糊控制器参数的量子遗传优化仿真

8.2基于量子遗传算法的模糊神经控制器参数优化设计

8.2.1NFNN控制器的拓扑结构

8.2.2基于量子遗传算法的NFNN控制器参数优化设计

8.3基于状态变量合成输入的NFNN控制器参数优化

8.3.1单级倒立摆的数学模型

8.3.2倒立摆模糊控制系统

8.3.3控制器综合系数的确定

8.3.4模糊控制规则的确定

8.3.5NFNN控制器参数的DCQGA优化设计

8.4基于状态变量直接输入的NFNN控制器参数优化

8.4.1模糊控制规则的确定

8.4.2NFNN控制器的DCQGA优化设计

8.4.3基于初始摆角300下的DCQGA优化性能对比

8.4.4变摆杆长度情况下的DCQGA优化性能对比

8.4.5基于初始摆角1度下的DCQGA优化性能对比

附录1部分算法的源程序

1.1Grover算法成功概率仿真程序

1.2量子遗传算法仿真程序

1.3量子粒子群算法仿真程序

1.4量子自组织特征映射网络聚类算法仿真程序

1.5基于量子遗传算法的倒立摆模糊控制器参数优化仿真程序

附录2量子计算常用名词汉英对照

参考文献

　　本书是一部研究量子计算与量子优化算法的学术著作。在简要综述国内外该领域研究成果的基础上，主要篇幅介绍了作者近年来取得的创新性研究成果。主要内容包括：量子力学基础；量子计算基础；基本量子算法；Grover量子搜索算法的改进等。本书可作为信息科学、计算机科学、信息与计算科学、控制科学及其自动化、智能信息处理、人工智能等相关专业的高等院校教师、研究生和科研人员学习参考。　　科学家预言：“21世纪，人类将从经典信息时代跨越到量子信息时代。”创立了一个世纪的量子力学随着20世纪90年代与信息科学交叉融合诞生的量子信息学，已成为量子信息时代来临的重要标志。　　本书是一部研究量子计算与量子优化算法的学术著作。在简要综述国内外该领域研究成果的基础上，主要篇幅介绍了作者近年来取得的创新性研究成果。全书共8章，主要内容包括：量子力学基础；量子计算基础；基本量子算法；Grover量子搜索算法的改进；量子遗传算法；混沌量子免疫算法，量子蚁群算法，量子粒子群算法；量子神经网络模型与算法；量子遗传算法在模糊神经控制器参数优化设计中的应用。　　本书由浅入深、深入浅出、可读性好，具有系统性、交叉性、前沿性等特点。为便于学习，书中给出了多种量子优化算法在搜索、优化、聚类、识别与控制中的应用例子，附录给出了主要程序和量子计算常用名词中英对照。本书可作为信息科学、计算机科学、信息与计算科学、控制科学及其自动化、智能信息处理、人工智能等相关专业的高等院校教师、研究生和科研人员学习参考。