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出版者:中国电力出版社

作者:张一尘

出品人:

页数:238

译者:

出版时间:2005-5

价格:23.0

装帧:平装

isbn号码:9787508333588

丛书系列:

图书标签:

• 高电压
• 电力系统
• 绝缘技术
• 放电现象
• 电晕
• 电场分析
• 高压试验
• 绝缘材料
• 电能传输
• 电气工程

好的，这是一本关于“量子计算与信息科学”的图书简介： --- 量子计算与信息科学前沿：从理论基石到未来应用 书籍简介 本书旨在全面、深入地探讨量子计算与信息科学领域的理论基础、核心技术以及前沿应用。面对传统计算范式在处理特定复杂问题时所遭遇的瓶颈，量子计算以前所未有的计算能力，为解决材料科学、药物发现、密码学以及人工智能等领域的根本性难题提供了全新的视角和工具。本书不仅面向物理学、计算机科学和电子工程等相关专业的学生和研究人员，也为希望了解下一代信息技术的工程师和技术决策者提供了一份详尽的路线图。 全书结构严谨，逻辑清晰，由浅入深，覆盖了从最基本的量子力学原理到复杂量子算法实现的完整知识链条。 第一部分：量子力学基础与信息表示 本部分是构建量子思维的基石，重点在于回顾和重塑读者对物理世界在微观层面运作方式的理解，并将其映射到信息处理的框架中。 第一章：经典物理的局限性与量子革命的开端 本章首先回顾了经典物理学在解释黑体辐射、光电效应和原子光谱方面的失败，引出了普朗克的量子假设。随后，深入探讨了波粒二象性、不确定性原理（Heisenberg Uncertainty Principle）以及波函数的概率诠释。通过详细的数学推导，揭示了微观粒子行为的内在随机性和非定域性。特别关注了态叠加原理（Superposition），这是量子计算区别于经典计算的根本特征之一。 第二章：量子比特（Qubit）的数学描述与操作 本章将抽象的物理概念转化为可操作的数学实体——量子比特。我们使用狄拉克符号（Bra-ket notation）对量子态进行精确描述，并引入二维复数向量空间（希尔伯特空间 $mathcal{H}^2$）的概念。核心内容包括： 量子态的表示： 纯态与混合态，密度矩阵（Density Matrix）的引入及其物理意义。 量子门操作： 详细阐述了基本的单比特门（如泡利矩阵 $X, Y, Z$，Hadamard 门 $H$）和双比特门（如 CNOT 门、CZ 门）。这些门被视为酉矩阵（Unitary Transformations），确保了量子演化的可逆性。 量子线路图： 教授如何使用标准符号来构建和可视化复杂的量子算法线路图。 第三章：多体系统、纠缠与量子信息核心资源 量子计算的强大潜力在多量子比特系统中得到集中体现。本章聚焦于量子信息科学中最关键的资源——量子纠缠（Entanglement）。 张量积与多体空间： 描述了如何用张量积来构建多量子比特系统的希尔伯特空间。 贝尔态（Bell States）： 深入分析四种最大纠缠态，并展示它们在量子隐形传态（Quantum Teleportation）中的核心作用。 纠缠的量化： 讨论了用于衡量纠缠程度的指标，如纠缠熵（Entanglement Entropy）。 第二部分：量子算法与计算模型 本部分从理论框架迈向实际计算层面，介绍构建通用量子计算机所需的模型，并详细解析几个里程碑式的量子算法。 第四章：量子计算的通用模型与图灵机 本章首先定义了量子电路模型（Quantum Circuit Model）作为主要的计算范式，并论证了其对经典图灵机的超算能力。随后，探讨了量子退火（Quantum Annealing）模型，将其与通用电路模型进行对比，分析各自的适用场景和局限性。 第五章：里程碑算法深度解析 本章是全书的理论高潮，对两个奠基性的量子算法进行详尽的数学推导和复杂度分析： Shor 算法： 详细解析该算法如何利用量子傅里叶变换（QFT）实现高效的大数因子分解。我们将分解过程拆解为周期寻找（Period Finding）和 QFT 应用，并讨论它对现有公钥密码体系（如 RSA）的颠覆性威胁。 Grover 搜索算法： 阐述了该算法如何通过迭代的“振幅放大”（Amplitude Amplification）技术，将无序数据库的搜索时间复杂度从 $O(N)$ 降低至 $O(sqrt{N})$。我们通过几何解释来直观展示搜索空间中的向量旋转过程。 第六章：变分量子算法与 NISQ 时代 鉴于当前噪声中等规模量子（NISQ）设备的局限性，本章重点介绍混合量子-经典算法，特别关注变分方法： 变分量子本征求解器（VQE）： 介绍 VQE 如何用于求解量子化学中的基态能量问题，分析其参数化量子线路（Ansatz）的设计原则。 量子近似优化算法（QAOA）： 探讨 QAOA 在解决组合优化问题（如最大割问题 Max-Cut）中的应用，并讨论其与经典优化器的协同工作机制。 第三部分：硬件实现、噪声与容错 量子计算的实现依赖于对微观物理系统的精确操控，这带来了巨大的工程挑战。本部分关注硬件平台的多样性、噪声的本质以及实现可靠计算的容错技术。 第七章：主流量子硬件平台 本章对当前最具前景的几种物理实现路径进行技术剖析和性能比较： 超导电路（Superconducting Circuits）： 详细介绍基于约瑟夫森结的量子比特，如 Transmon 量子位，讨论其相干时间（Coherence Time）和耦合机制。 离子阱（Trapped Ions）： 阐述如何利用电磁场囚禁单个离子，并以激光脉冲操控其内部能级作为量子比特，分析其高保真度的操作优势。 光量子计算（Photonic Quantum Computing）： 探讨基于光子偏振或路径的编码方式，以及线性光学元件在实现非线性逻辑门方面的挑战与对策。 其他新兴平台： 简要介绍半导体量子点、拓扑量子比特等的研究进展。 第八章：量子噪声、退相干与误差缓解 量子态极其脆弱，极易受到环境干扰而失去量子特性，即退相干（Decoherence）。 噪声模型： 详细分析常见的噪声源，包括弛豫（Relaxation, $T_1$）和去相位（Dephasing, $T_2$），并引入量子通道（Quantum Channels）来描述开放系统的演化。 量子误差抑制： 区别于经典纠错码，本章深入探讨如何通过对脉冲序列的精确设计来缓解特定噪声的影响，例如动态解耦技术（Dynamical Decoupling）。 第九章：量子纠错码（Quantum Error Correction, QEC） 实现容错通用量子计算的唯一途径是 QEC。 经典纠错的扩展： 解释为什么经典编码方法不适用于量子态（不可克隆定理）。 表面码（Surface Code）： 详细解析目前被认为是扩展性最强的容错码——表面码的结构、稳定子测量（Stabilizer Measurement）以及逻辑比特的编码方式。分析其容错阈值和实现高保真逻辑操作所需的基础物理操作保真度要求。 第四部分：量子信息的前沿应用与展望 本部分将视野扩展至量子计算在特定应用领域的实际潜力，并对该领域未来的发展方向进行总结和展望。 第十章：量子化学与材料模拟 量子计算机被认为在模拟量子系统方面具有指数级的优势。本章探讨如何将分子或晶体的哈密顿量映射到量子比特上，重点介绍量子相位估计算法（QPE）在精确计算电子能级中的应用，以及它对新催化剂和高温超导材料设计的重要性。 第十一章：量子密码学与安全性 量子计算不仅威胁现有密码体系，也催生了全新的安全通信范式。 后量子密码学（Post-Quantum Cryptography, PQC）： 介绍抵抗 Shor 算法的经典算法设计，如基于格（Lattice-based）、基于哈希（Hash-based）和基于编码（Code-based）的密码体制。 量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）： 详细阐述 BB84 协议的原理，强调其基于物理定律的安全性保证。 第十二章：人工智能与量子机器学习 本章探讨量子计算与人工智能的交叉领域——量子机器学习（QML）。讨论如何利用量子态和量子演化来加速经典机器学习任务，包括： 量子支持向量机（QSVM） 和量子主成分分析（QPCA）。 量子神经网络（QNN） 的结构与训练方法，以及它们在处理高维数据和特征空间映射中的潜在优势。 全书最后以对量子技术路线图的综合性评估收尾，审视了从理论突破到工程实现过程中仍需跨越的关键障碍，展望了量子霸权（Quantum Supremacy）向通用容错量子计算（Fault-Tolerant Quantum Computing, FTQC）过渡的宏伟蓝图。 ---

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这本书的封面设计就透着一股硬朗和专业的味道，那种深沉的蓝色调，配上简洁有力的白色字体，让人一看就知道这不是一本用来“打发时间”的书。我拿到手的时候，首先被它的分量给镇住了，感觉拿在手里的不是一本书，而是一块沉甸甸的知识基石。内页的纸张质量也相当不错，摸起来有种扎实的触感，这对于需要频繁翻阅和做笔记的读者来说，简直是福音。光是翻开扉页，那些密密麻麻的专业术语和严谨的章节目录，就已经让人对作者的功力肃然起敬。我记得我当时是抱着极大的热情开始阅读的，特别是对那些抽象的理论部分，我期待着能有一种拨云见雾的清晰感。然而，这本书的开篇并没有采用那种循序渐进、循循善诱的方式，而是直接将读者抛入了一个高度浓缩的专业知识海洋。这对于初学者来说，无疑是一个巨大的挑战，你得时刻保持高度的专注力，甚至需要时不时地停下来，查阅一些基础概念，否则很容易就会跟不上作者的思路。它更像是为已经拥有一定背景知识的工程师或研究人员准备的“工具箱”，每一个章节都像是一个精密的仪器，需要使用者懂得如何校准和使用。这本书的排版也相当考究，图表和公式的布局井井有条，虽然信息量巨大，但整体上保持了一种克制的学术美感。

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从装帧和印刷的角度来看，这本书的细节处理非常到位，几乎挑不出什么硬伤。书脊的装订非常结实，即便是如此厚的篇幅，反复翻折也不会轻易出现散页的风险，这对于需要经常“拉出来参考”的工具书而言至关重要。此外，书中附带的插图和示意图，虽然色彩运用上比较保守，大多是单色或双色印刷，但其线条的精确度和细节的刻画达到了极高的水准。每一个绝缘子的剖面图，每一次闪络的路径示意图，都力求在二维平面上尽可能还原三维空间的复杂性。我尤其欣赏作者在处理那些电磁场分布图时的用心，即使只是用简单的网格和等值线来表示，也能让人直观地感受到电场强度的巨大梯度变化。唯一的“遗憾”或许是，在数字化阅读日益普及的今天，这样一本厚重的实体书的便携性自然受到了限制。它更适合在固定、光线充足的书桌前进行系统学习，而不是在通勤路上快速浏览。但反过来说，这种厚重感本身也是一种仪式感，它暗示着你正在处理的是一项需要全神贯注、不容分毫马虎的严肃课题。

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这本书的参考文献和引文部分，可以说是其厚重感的另一个有力佐证。我特别留意了书末的索引，那份名单几乎就是一部近几十年来该领域顶尖学术成果的微缩历史。你能清晰地看到作者是如何吸收、融合和发展了不同学派的观点。这种对前人研究成果的尊重和严谨的引用格式，体现了作者极高的学术素养。它不是一本“自说自话”的书，而是建立在一个庞大、相互连接的知识网络之上。阅读过程中，我常常会因为一个关键概念的好奇心，去查找脚注指向的原著或论文，结果往往发现这些引用的资料本身就是里程碑式的著作。这种链式学习的体验，虽然拉长了我的阅读路径，却极大地拓宽了我的知识边界。这本书就像是一份权威的“知识地图”，它不仅标明了眼前的地理位置（你所学的具体知识点），更标注了通往其他重要知识宝库的路线。对于希望深入这个领域进行学术深造的人来说，这本书与其说是一本教材，不如说是一份高级的研究指引，帮你辨别哪些是值得深挖的知识“富矿”。

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这本书的文字风格，简直就像一位经验丰富但性情略显古板的老教授在给你上课，他滔滔不绝，逻辑严密得像一台运转精密的瑞士钟表，每一个句子都承载着不容置疑的权威性。我读起来的感觉，与其说是“阅读”，不如说是一场智力上的“攻坚战”。作者似乎完全没有考虑读者的“舒适度”，他倾向于使用最精确、最晦涩的专业术语来描述现象，很少会为了“可读性”而牺牲严谨性。比如说，在阐述某个高压电晕的形成机制时，他会一口气抛出好几个相互关联的物理过程，中间几乎没有过渡性的解释，全靠读者自己去构建思维的桥梁。这使得阅读过程充满了挫败感，我常常需要对着一个段落反复研读三四遍，并且拿起笔在草稿纸上画出流程图才能勉强理解其间的内在联系。不过，一旦那种“顿悟”的时刻来临，你会感到一种极大的满足感——仿佛自己真的踏入了那个高电压世界的深层秘密之中。这种阅读体验，是那种浮光掠影的科普读物绝对无法比拟的，它要求你全身心投入，甚至需要你牺牲睡眠时间去与这些深奥的知识搏斗。这本书更像是对意志力的考验，而不是对轻松知识的获取。

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我尝试着从应用的角度来审视这本书的价值，毕竟理论的最终目的是指导实践。然而，这本书在“案例分析”和“工程实例”这方面的呈现，给我带来了一种强烈的“脱节感”。它似乎更侧重于从宏观的物理定律出发，建立起坚不可摧的数学模型，然后就戛然而止，留给读者的更多是“为什么会这样”的深刻理解，而不是“如何解决那个实际问题”的直接方案。比如，书中对绝缘介质的击穿理论进行了极其深入的探讨，从微观的电子发射到宏观的能量累积，分析得淋漓尽致。但是，当你合上书本，面对一个真实的、充满环境干扰和材料不均匀性的变电站故障时，你会发现书本上的理想化模型很难直接套用。它提供的是背景知识的深度，而不是快速排查故障的SOP（标准操作程序）。这就像是给你一把顶级外科手术刀，却没告诉你具体病灶在哪里。因此，这本书更像是科研人员和理论设计人员的案头宝典，对于那些现场维护人员来说，可能需要再搭配其他更具操作性的手册才能发挥最大的效用。它教会你“知其所以然”，但对于“如何动手去做”的指导则显得有些“高屋建瓴”。

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