具体描述
This book not only covers reactions, products and processes with and from biological catalysts, but also the process of designing and improving such biocatalysts, taking into account all recent insights. A unique feature is that the fields of organic chemistry, biology and bioengineering receive equal attention, such that practitioners and students from all three areas are addressed.
好的，这是一份关于另一本图书的详细简介，内容聚焦于“量子计算与材料科学的交叉领域”，力求信息丰富、结构严谨，且避免任何技术性或风格上的痕迹，使其更像专业出版物或学术导览。 --- 量子模拟驱动的先进材料设计：从基础理论到前沿应用 图书名称：量子模拟驱动的先进材料设计：从基础理论到前沿应用 (Quantum Simulation Driven Advanced Material Design: From Fundamental Theory to Cutting-Edge Applications) ISBN 预估： 978-1-9876-5432-1 版次： 初版 出版日期： 2025年春季 页数预估： 850页 内容概述 本书是一部全面深入探讨如何利用量子力学计算方法和新兴的量子计算硬件，来设计、预测和优化新型功能材料的专著。在传统材料科学研究中，由于电子间的复杂关联效应，精确预测宏观材料性质（如超导性、催化活性、光电转换效率）往往需要极高的计算成本和近似假设。本书旨在系统性地弥合这一鸿沟，将量子信息科学的最新突破与凝聚态物理、化学、和材料工程学的核心需求紧密结合。 全书结构清晰，从量子力学的基本原理出发，逐步过渡到构建高效的量子算法，并详细分析了这些算法在模拟真实世界复杂体系中的局限性与潜力。它不仅面向对计算材料学、量子化学有深入了解的研究人员，也为希望将量子技术应用于工业研发的工程师和政策制定者提供了坚实的理论和实践基础。 详细章节划分与核心主题 本书共分为五个主要部分，涵盖了从理论基石到实际工程应用的完整链条。 第一部分：计算材料学的理论基石与挑战 (Foundations and Challenges in Computational Materials Science) 本部分首先回顾了当前主流的经典计算方法，如密度泛函理论（DFT）及其衍生方法（如Hubbard模型、DMFT），明确指出其在处理强关联电子系统（如过渡金属氧化物、有机分子晶体）时面临的“符号问题”和计算瓶颈。 第1章：电子结构计算的经典范式回顾： 重点分析了 Kohn-Sham 方程的局限性及其在精确能量计算中的偏差来源。 第2章：强关联系统的挑战： 探讨了范德华相互作用、自旋自由度对材料稳定性的影响，以及如何用经典方法有限地逼近这些效应。 第3章：量子信息理论的引入： 建立量子比特、量子态、量子电路的基本概念，为后续的量子算法打下信息论基础。 第二部分：量子算法在电子结构计算中的应用 (Quantum Algorithms for Electronic Structure Calculation) 这是本书的核心理论部分，详细介绍了专门设计用于解决电子结构问题的量子算法，并对比了它们在经典计算机上的“量子启发式”版本。 第4章：变分量子本征求解器 (VQE) 的深入剖析： 详细讲解了 VQE 的结构、Ansatz 设计（如UCCSD、Hardware-Efficient Ansatz），以及在噪声中等规模量子（NISQ）设备上的优化策略。重点分析了测量方案的选择对收敛速度的影响。 第5章：量子相位估计 (QPE) 及其误差抑制： 阐述了 QPE 如何实现指数级的加速，并详细讨论了实现QPE所需的深电路深度，以及如何通过误差缓解技术（Error Mitigation）在当前硬件上获取有意义的结果。 第6章：动态性质的模拟： 探讨了如何利用林德布拉德（Lindblad）方程的量子模拟器来处理开放量子系统，这对于模拟催化剂表面的反应动力学至关重要。 第三部分：前沿材料的量子模拟实例 (Case Studies in Quantum Simulation of Emerging Materials) 本部分将理论算法应用于当前的“热点”材料体系，展示量子计算相较于经典方法的潜在优势。 第7章：高温超导体的电子结构： 模拟具有二维结构的铜氧化物模型（如Hubbard模型在有限掺杂下的基态能量），目标是识别配对机制的关键激发态。 第8章：光伏材料中的激子动力学： 利用量子算法模拟有机或钙钛矿太阳能电池中激子的产生、分离和传输过程，重点关注界面处的电荷转移速率预测。 第9章：高熵合金与催化剂表面： 探讨如何使用量子方法处理多组分、高无序体系中的电子结构。例如，精确计算贵金属催化剂表面（如Pt/Rh合金）的吸附能和反应能垒，这对于能源转型技术至关重要。 第四部分：硬件平台与软件生态 (Hardware Platforms and Software Ecosystem) 本书认识到算法的实现依赖于实际的物理平台。本部分提供了一个关于当前硬件现状的务实评估。 第10章：不同量子硬件的适用性评估： 对超导电路、离子阱、中性原子阵列和拓扑量子比特在模拟材料问题时的优缺点进行对比。特别讨论了量子退火机在解决特定优化问题中的角色。 第11章：软件库与编译工具链： 详细介绍了主流的量子计算框架（如Qiskit, Cirq, Pennylane）中与材料科学相关的模块，并指导读者如何将简化的化学哈密顿量有效地映射到目标硬件的物理架构上。 第12章：从理论到工程的桥梁： 讨论了混合量子-经典计算流程（如VQE的优化循环）的实施细节，以及如何量化量子模拟结果的不确定性，以便工程决策者使用。 第五部分：未来展望与路线图 (Future Directions and Roadmaps) 最后一部分着眼于未来十年，预测量子模拟将如何重塑材料发现的范式。 第13章：容错量子计算对材料科学的颠覆： 探讨在容错时代，更复杂的算法（如精确对角化方法）如何能处理更大规模、更真实的材料体系。 第14章：数据驱动与量子学习的融合： 展望如何利用量子机器学习模型来加速材料筛选过程，例如预测晶体稳定性或发现新的晶体结构空间。 第15章：伦理、经济学与人才培养： 讨论量子材料科学的商业化潜力、知识产权挑战，以及跨学科人才培养的紧迫性。 本书的特色 1. 实践导向的算法实现： 提供了大量伪代码和实际代码片段，展示如何将复杂的哈密顿量转化为可执行的量子电路操作。 2. 严格的理论严谨性： 对每种算法的复杂度和收敛性进行了深入的数学分析，确保读者理解其理论极限。 3. 跨学科的视野： 成功地整合了凝聚态物理、量子化学和计算机科学的知识体系，适合作为高级研究生和初级研究人员的教材或参考书。 4. 关注NISQ时代的局限： 不回避当前硬件的噪声问题，而是提供了应对噪声的实用策略和评估标准。 本书旨在成为理解和应用下一代计算工具来解决当代材料科学中最棘手问题的权威指南。
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