致謝

首先我們要感謝AGAI（www.agoodai.com） 林志鴻先生，在2020時候找上我們SQCS，讓我們能夠把這一年所學的東西傳遞給所有人，一群人的知識聚集在一起，並且彙整成一本書，傳授給大家。並且全力支援撰寫高中生書籍一事，並且不斷的對外協商及宣傳，使得此書能夠完美出版。林志鴻先生鼓勵我們挑戰自我，一起做一件對台灣高中生跨入量子電腦的自學書，並希望透過SQCS的訓練培育出更多的年輕人投入物理領域。

感謝Adam分享挑戰賽第五題解答，讓讀者有更好的解法可以學習。感謝許沛涵，協助美編以及圖片重製。感謝許瑜甄，協助我們完成量子計算的章節。感謝陳安楷，協助我們完成題目製作。

張仁瑀想要特別感謝呂文森博士以及中原大學黃琮暐老師，利用夜間時間幫助我們學習量子力學以及量子計算，讓我們在學習的道路上不覺得迷茫，即使工作很忙，在編寫書籍的過程中也不遺餘力地幫忙，如果可以，我希望未來也能跟二人一樣，一起分享量子計算給其他學生。

劉子睿想特別感謝IBM提供我們學習的管道，以及Textbook的內容，讓我們再遇到程式問題或沒有看過的方法時可以了解，更感謝IBM提供挑戰賽題目與教程，這提供了學習演算法與實作最好的管道，不管是原理意義或者實作方法，都有很多收穫。

徐育兆想要特別感謝黃光彩校長辦理的量子智慧學院的第二期課程（台北班），加強了我們對於量子演算法的理解以及提供我們量子演算法的講義和習題使用，更感謝蘇承芳老師、黃吉川教授的認真教學，使我們團隊的能力更進一步提升，獲益良多。

林橋毅想要特別感謝台大化學系孫欣和我們討論雙狹縫干涉與測量相關內容與提供第七章的部分內容，在課外時間跟我們討論超導硬體與量子力學的問題，並且在討論過後幫我們校稿，不遺餘力，讓我們的內容可以更完備。

我們團隊想要特別感謝林祐睿同學，願意利用課餘時間不遺餘力的和我們一同討論書的內容增減並且和我們一同完成了量子相位估計、相位回擊以及微波與超導技術的章節使得我們的書籍內容變得更加完美豐富。

林侑恆想要特別感謝葉智海學長，在平日擠出時間為我們解答許多量子物理相關的問題，增廣了我們對量子物理的了解，使我們能更深入認識量子電腦，並撰寫了大部分的量子硬體章節，使本書的內容能更加豐富。

From SQCS

2020年由一群台灣的高中生成立了學生量子電腦交流會（SQCS），有鑑於世界各地的高中在學習量子電腦的人不在少數，而台灣是連高中都沒有普及，因此要在高中學習的路上找到夥伴是一件不容易的事情，藉由此交流會串聯起台灣的學生一起共同討論量子運算。

致謝

首先我們要感謝AGAI（www.agoodai.com） 林志鴻先生，在2020時候找上我們SQCS，讓我們能夠把這一年所學的東西傳遞給所有人，一群人的知識聚集在一起，並且彙整成一本書，傳授給大家。並且全力支援撰寫高中生書籍一事，並且不斷的對外協商及宣傳，使得此書能夠完美出版。林志鴻先生鼓勵我們挑戰自我，一起做一件對台灣高中生跨入量子電腦的自學書，並希望透過SQCS的訓練培育出更多的年輕人投入物理領域。

感謝Adam分享挑戰賽第五題解答，讓讀者有更好的解法可以學習。感謝許沛涵，協助美編以及圖片重製。感謝許瑜甄，協助我們完成量...

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

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...