机器学习是人工智能发展和研究过程中得到最广泛重视和应用的方向，与人工智能并行发展的量子计算，其被广泛关注的领域之一是量子机器学习算法。量子计算的到来使现有的密码算法受到冲击，而建立在密码学大厦之上的区块链技术也将受到影响，基于量子密码体系的区块链即量子区块链系统便是一种探索。本书主要对机器学习、深度学习、区块链和量子计算技术及其应用进行全面介绍和论述，主要内容包括机器学习基础原理、量子信息与量子计算、量子计算与机器学习、区块链技术基础、区块链技术应用、量子区块链初探。

前 言 在科幻小说和影视作品中，人工智能已被无数次幻想和描述过。随着越来越多的现代电子信息与人工智能新技术和新产品“飞入寻常百姓家”，在日常生活和生产实践中得到应用，人们对智能的要求和期望也越来越高。 智能是智力和能力的总称，是一个涵盖面很广的概念，目前尚无非常统一、标准的科学度量方法能对智能做出准确的评价与判定。自20世纪50年代以来，人工智能便是最重要、最热门的研究方向之一，各种新的概念、学说、技术和应用不断呈现。随着时代的进步和技术的发展，人工智能的内涵与外延，以及所涉及的领域与应用不断得到拓展与提升，机器感知、分析和处理外界信息，模拟人类思维与行为并完成指定任务的能力越来越强，对计算能力、处理速度、应用研究和系统安全等提出了更高的要求，量子计算、区块链及其相关新信息技术的发展与应用为此提供了机会和可能。 量子计算、机器学习、区块链等的结合是信息技术与人工智能发展新阶段出现的新趋势、新事物，在传统信息技术、机器学习、人工智能、通信网络等理论与技术的基础上演进出诸多新的理论、模型、算法等，推动了相关领域技术与应用的创新和发展，成为近年来学术研究和工程实践的一大热点。 在过去的二十多年中，我国在信息技术、互联网、人工智能等方面取得了高速发展和丰硕成果。在此基础上，近年来我国在这些领域又推出了一系列有关人工智能、区块链、机器学习与量子计算等技术和应用的新战略、新计划。我国政府多次提出“要大力推动互联网、大数据、人工智能的发展”，强调“区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用”，指出“量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向”“量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用”等，激励着这些新兴理论和技术的研究、发展与应用，推动着相关领域龙头企业的成长及创新集群的形成，聚集效应和规模经济逐渐显现，新一轮科技革命与产业变革持续深入，产业格局加速重塑，以人工智能、区块链、量子科技等为代表的新一代信息技术正在为新时期国家经济社会的再次腾飞插上更加强劲的翅膀，引领我们迈入新的、更加美好的“智能+”时代。 本书作者长期从事人工智能与机器学习、信息通信技术与互联网、电子信息装备系统等方面的工程技术和教学科研工作，根据自身对量子计算、机器学习、区块链、人工智能等新技术、新趋势的研究与思考，基于高等学校相关专业和工程技术人员的需求，编撰成此书，希望能对相关的概念、原理、模型、算法、技术和应用等有一个比较全面系统的论述。 本书共分7章：第1章为绪论，主要介绍人工智能及量子计算、机器学习和区块链等新技术的基本概念、发展趋势；第2章为机器学习基础，主要介绍有监督学习和无监督学习的基本理论与算法，使读者初步掌握机器学习的基本原理与技术；第3章为量子信息与量子计算基础，主要介绍量子信息与量子计算的数学基础、比特操作、电路模型与基本应用等；第4章为量子计算与机器学习，主要介绍量子计算与机器学习的主要算法与技术；第5章为区块链技术基础，通过对单式账本、复式账本、去中心化等概念的介绍，讲解区块链的技术基础和分布式原理及其密码学和安全性问题；第6章为区块链技术应用，主要介绍比特币系统、以太坊和超级账本这三个典型的区块链技术应用；第7章为量子区块链初探，主要对量子加密、量子区块链和后量子密码学等前沿技术问题进行初步分析和探讨。 本书涉及的内容和新技术多、覆盖面广，在撰写和论述过程中尽可能做到深入浅出、层次分明、理论铺叙与应用举例相结合，既可作为高校人工智能与机器学习、量子计算与区块链、互联网与信息技术等相关专业本科生、研究生的教学用书，也可作为相关领域工程技术人员的参考资料。 本书的编写和出版得到了国家自然科学基金重大项目（NSFC：11590770/11590774）的资助，在此表示感谢！ 因作者水平和经验有限，且所涉及的内容均为尚在探索和发展中的新理论、新技术，书中错误之处在所难免，敬请广大读者指正。 作 者 2021年11月

目　　录 第1章　绪论 （1） 1.0　引言 （1） 1.1　人工智能的起源 （2） 1.2　人工智能中的机器学习 （3） 1.3　人工智能的曲折发展 （5） 1.4　量子计算和量子机器学习 （6） 1.5　区块链技术 （7） 1.6　量子区块链 （9） 1.7　本章小结 （9） 第2章　机器学习基础 （11） 2.0　引言 （11） 2.1　有监督学习 （11） 2.2　有监督分类问题 （12） 2.2.1　K近邻算法 （12） 2.2.2　决策树算法 （14） 2.2.3　朴素贝叶斯算法 （15） 2.2.4　逻辑回归算法 （17） 2.2.5　支持向量机算法 （18） 2.2.6　Adaboost算法 （19） 2.3　有监督回归问题 （21） 2.3.1　线性回归算法 （21） 2.3.2　非线性回归算法 （22） 2.4　无监督学习 （23） 2.4.1　K-Means算法 （23） 2.4.2　FP-growth算法 （25） 2.5　本章小结 （28） 第3章　量子信息与量子计算基础 （29） 3.0　引言 （29） 3.1　量子计算基础 （30） 3.1.1　计算复杂度和图灵机 （30） 3.1.2　态叠加原理 （31） 3.1.3　可观测量 （32） 3.1.4　正定测量 （33） 3.1.5　量子比特和量子记忆 （33） 3.2　量子计算数学原理 （34） 3.2.1　Hilbert空间和Dirac符号 （34） 3.2.2　对偶空间和对偶向量 （35） 3.2.3　量子算子 （36） 3.2.4　谱理论和张量积 （37） 3.2.5　Schmidt分解 （38） 3.3　量子比特操作 （39） 3.3.1　量子比特 （39） 3.3.2　量子寄存器 （39） 3.3.3　基本量子门 （40） 3.3.4　量子状态 （45） 3.3.5　复合系统 （45） 3.3.6　混合态和通用量子操作 （46） 3.4　量子电路模型 （47） 3.4.1　经典电路和量子电路 （47） 3.4.2　门电路组合 （49） 3.4.3　量子并行 （49） 3.4.4　标准电路模型 （50） 3.4.5　量子电路的测量 （50） 3.5　量子计算应用 （52） 3.5.1　量子计算复杂度和黑盒问题 （52） 3.5.2　量子编码和量子通信 （53） 3.5.3　量子纠错和容错 （54） 3.5.4　量子纠缠 （55） 3.5.5　量子密码学 （55） 3.6　本章小结 （57） 第4章　量子计算与机器学习 （59） 4.0　引言 （59） 4.1　量子初级算法 （60） 4.1.1　概率论和量子算法 （60） 4.1.2　Deutsch算法 （62） 4.1.3　Deutsch-Jozsa算法 （65） 4.1.4　Simon算法 （66） 4.1.5　Shor算法 （70） 4.1.6　Grover算法 （73） 4.2　量子程序 （78） 4.2.1　量子编程语言 （78） 4.2.2　量子计算的Qif和Qwhile （79） 4.3　量子概率算法 （81） 4.3.1　量子随机存取存储器 （81） 4.3.2　量子模拟退火 （82） 4.3.3　量子贝叶斯网络 （84） 4.4　量子机器学习 （88） 4.4.1　量子主成分分析 （88） 4.4.2　量子HHL算法 （90） 4.4.3　量子K-Means算法 （92） 4.4.4　量子支持向量机 （95） 4.4.5　量子图像识别 （98） 4.4.6　量子手写数字二分类算法 （101） 4.5　本章小结 （103） 第5章　区块链技术基础 （105） 5.0　引言 （105） 5.0.1　单式账本 （105） 5.0.2　复式账本 （107） 5.0.3　分布式账本 （107） 5.0.4　比特币系统与超级账本 （108） 5.0.5　区块链 （108） 5.1　区块链的技术基础 （109） 5.1.1　去中心化之路 （110） 5.1.2　区块链的去中心化 （112） 5.1.3　共识算法 （114） 5.1.4　拜占庭问题和算法 （115） 5.2　区块链的密码学和安全性问题 （117） 5.2.1　密码学定义和分类 （117） 5.2.2　对称密码 （119） 5.2.3　非对称密码 （124） 5.2.4　Hash函数 （126） 5.2.5　博弈论 （127） 5.2.6　数字证书和同态加密 （127） 5.3　区块链的分布式系统原理 （129） 5.3.1　一致性问题 （129） 5.3.2　共识算法 （130） 5.3.3　FLP不可能原理 （130） 5.3.4　CAP原理和ACID原则 （131） 5.3.5　Paxos算法和Raft算法 （132） 5.3.6　可靠性指标 （133） 5.4　本章小结 （135） 第6章　区块链技术应用 （137） 6.0　引言 （137） 6.1　比特币系统 （137） 6.1.1　比特币系统的原理和基本概念 （137） 6.1.2　比特币系统的“挖矿” （139） 6.1.3　闪电网络的出现 （139） 6.1.4　侧链 （141） 6.2　以太坊 （142） 6.2.1　以太坊的目标 （142） 6.2.2　以太坊和比特币系统 （143） 6.2.3　以太坊的基本概念 （144） 6.2.4　以太坊的基本设计 （145） 6.3　超级账本 （146） 6.3.1　典型的超级账本框架 （146） 6.3.2　典型的超级账本工具 （146） 6.4　本章小结 （147） 第7章　量子区块链初探 （149） 7.0　引言 （149） 7.1　量子计算对区块链的冲击 （149） 7.1.1　量子算法对Hash函数的攻击 （149） 7.1.2　量子算法对非对称密码的攻击 （150） 7.2　量子加密 （153） 7.2.1　量子加密特性 （153） 7.2.2　量子安全加密 （153） 7.2.3　量子密码取代数字签名 （154） 7.3　量子区块链 （155） 7.3.1　量子密钥分发 （156） 7.3.2　量子加密区块链通信 （157） 7.3.3　量子比特币 （159） 7.3.4　量子比特币“挖矿” （160） 7.4　后量子密码学 （161） 7.4.1　基于Hash函数的后量子密码算法 （162） 7.4.2　基于编码的后量子密码算法 （163） 7.4.3　基于多变量的后量子密码算法 （164） 7.4.4　基于格的后量子密码算法 （166） 7.4.5　其他后量子密码算法 （168） 7.5　本章小结 （169） 参考文献 （171）