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☆☆☆☆☆

出版者:Oxford University Press, USA

作者:Amnon Yariv

出品人:

页数:848

译者:

出版时间:2006-1-26

价格:USD 125.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780195179460

丛书系列:

图书标签:

• 科学
• 光学
• 光子学
• 光学
• 激光
• 光电子学
• 非线性光学
• 光纤
• 集成光学
• 生物光子学
• 纳米光子学
• 量子光学

好的，这是一本关于量子信息与计算的图书的详细简介，内容不涉及《Photonics》中的光子学主题。 量子信息与计算：原理、技术与前沿探索 导言：超越经典信息范式 在信息科学与计算技术飞速发展的今天，我们正站在一个新时代的门槛上——量子时代。经典计算，基于比特的0和1状态，已将人类文明推向了前所未有的高度。然而，面对复杂系统模拟、大数据处理、密码安全等领域的指数级挑战，经典架构的物理极限已隐约可见。量子信息与计算（Quantum Information and Computation, QIC）正是应运而生的革命性学科，它根植于量子力学的奇特原理——叠加态、纠缠与量子隧穿——旨在构建比现有技术强大得多的计算模型和信息传输方式。 本书《量子信息与计算：原理、技术与前沿探索》系统、深入地梳理了这一前沿领域的核心理论框架、关键技术实现路径以及未来发展方向。它面向对信息科学、物理学、计算机科学有深入了解的专业人士、高级本科生和研究生，旨在提供一个全面、扎实且富有洞察力的学习与参考资源。 第一部分：量子信息学的理论基石 本部分奠定了理解量子信息所需的数学和物理基础，重点阐述了从经典信息到量子信息的范式转变。 第一章：量子力学的复习与信息论视角 本章首先回顾了量子力学的基本公设，包括希尔伯特空间、态矢量、算符、演化方程（薛定谔方程）等核心概念。随后，引入了信息论的视角，讨论了信息在量子系统中的表征方式。我们详细探讨了密度算符在描述混合态和非纯态系统中的关键作用，并介绍了量子测量的概率解释和后效。特别地，本章区分了经典信息与量子信息在信息熵、信息量化方面的根本差异，为后续的量子计算奠定了理论基础。 第二章：量子比特与基本量子操作 量子比特（Qubit）是量子信息的基本单元，其概念的引入标志着信息描述的根本性变革。本章深入剖析了单比特和多比特系统的希尔伯特空间结构，并引入了布洛赫球模型，直观地展示了单量子比特的状态空间。 核心内容集中在量子门（Quantum Gates）上。我们详细介绍了单比特门（如泡利门$X, Y, Z$、Hadamard门$H$）和多比特门（如受控非门CNOT、Toffoli门等）。通过矩阵表示法，读者将掌握如何构建幺正演化（Unitary Evolution）以及如何利用这些基本门来构造更复杂的量子线路。本章还探讨了量子线路模型（Quantum Circuit Model）作为通用计算模型的地位，并讨论了量子图灵机的概念。 第三章：量子信息的度量与不可克隆定理 本章聚焦于量化量子信息和理解其独特的物理限制。我们引入了冯·诺依曼熵作为量子纯态和混合态的信息量度。更重要的是，本章详细论证了量子不可克隆定理（No-Cloning Theorem），解释了为什么无法完美复制任意未知的量子态，这一定理是量子加密安全性的物理基础。同时，我们也讨论了与不可克隆性相关的其他基本定理，例如不可压缩性等。 第四章：量子纠缠：资源与度量 纠缠态是量子信息资源的核心，也是区别于经典系统的最显著特征。本章将纠缠的理论提升到资源理论的高度。我们详细分析了贝尔态（Bell States）作为最大纠缠态的地位，并引入了纠缠度量，如纠缠熵、纠缠保真度等，以量化两个或多个子系统间的关联强度。此外，本章还介绍了PPT准则（Peres-Horodecki Criterion）等判定系统是否可分离的方法，为后续的量子通信协议设计打下基础。 第二部分：量子计算的核心算法与模型 本部分将理论转化为实践的蓝图，探讨了最具影响力的量子算法和量子计算的实现模型。 第五章：量子并行性与Shor算法 本章深入探讨了量子计算的“魔力”来源——量子并行性。通过对量子傅里叶变换（QFT）的详细推导和分析，本章揭示了量子算法如何实现指数级的加速。 重头戏是Shor因子分解算法。本章不仅详细分解了该算法的每一步，包括周期查找的细节，还分析了其对现有公钥密码系统（如RSA）的颠覆性影响。本章还讨论了量子算法的通用性与局限性。 第六章：Grover搜索算法及其优化 本章关注于在无序数据库中进行搜索的量子加速。Grover算法以平方根级的加速（$O(sqrt{N})$对比经典算法的$O(N)$）著称。我们详细解释了Grover迭代器的几何意义，即在布洛赫球面上对目标态的旋转，并讨论了算法的迭代次数优化问题，以及其在解决SAT问题等优化问题中的潜力。 第七章：量子模拟与物理系统的计算 本章探讨了量子计算在模拟自身领域——量子物理系统——中的应用。我们介绍了量子模拟器的概念，区分了“至上而下”（Top-Down，基于通用量子计算机）和“自下而上”（Bottom-Up，基于特定物理系统）的模拟方法。重点分析了如何用量子线路模拟哈密顿量的时间演化，以及在凝聚态物理、化学反应路径计算中的具体应用案例。 第八章：变分量子本征求解器（VQE）与其他混合算法 随着当前噪声中等规模量子（NISQ）时代的到来，我们必须面对硬件的局限性。本章聚焦于混合量子-经典算法，特别是变分量子本征求解器（VQE）。本章详细描述了VQE的迭代过程，包括Ansatz选择、能量梯度计算以及经典优化器的配合。此外，还介绍了诸如量子近似优化算法（QAOA）等在组合优化问题中的应用前景。 第三部分：物理实现与前沿挑战 本部分将目光投向现实世界的硬件构建，探讨了实现量子计算的各种物理平台及其面临的工程挑战。 第九章：量子计算的物理平台 本章对当前主流的量子比特实现技术进行了全面的技术评估和比较。内容涵盖： 1. 超导电路（Superconducting Circuits）：基于Transmon量子比特的架构、微波控制技术、以及面临的退相干问题。 2. 囚禁离子（Trapped Ions）：利用激光冷却和电磁场囚禁离子，讨论其高保真度的单比特和双比特门操作。 3. 中性原子（Neutral Atoms）：利用光镊（Optical Tweezers）阵列构建可重构的量子系统。 4. 拓扑量子比特（Topological Qubits）：介绍其理论优势——抵抗局部噪声的内在鲁棒性。 第十章：量子纠错与容错计算 实现通用量子计算的关键在于克服噪声。本章是关于量子纠错（Quantum Error Correction, QEC）的深度解析。我们详细介绍了经典纠错码（如汉明码）与量子码的本质区别。核心内容集中在表面码（Surface Code）的设计原理、稳定子测量以及逻辑比特的编码与解码过程。本章强调了构建容错量子计算机（Fault-Tolerant Quantum Computer, FTQC）所需的物理开销和技术门槛。 第十一章：量子网络与安全通信 量子信息不仅关乎计算，也深刻影响着通信安全。本章重点讨论了量子密钥分发（QKD）的原理，特别是BB84和E91协议，并分析了其在抗窃听方面的绝对安全性。随后，我们探讨了构建量子中继器（Quantum Repeaters）以实现远距离量子态传输的关键技术，包括纠缠交换（Entanglement Swapping）和纠缠纯化（Entanglement Distillation）。 结语：展望量子技术的未来 本书最后以对该领域的宏观展望作结。讨论了当前从NISQ设备向FTQC迈进的路线图，预测了量子计算在材料科学、药物研发、金融建模等领域的潜在突破，并指出了人才培养和交叉学科合作在推动这场技术革命中的重要性。 目标读者： 物理学、计算机科学、电子工程等相关专业的研究人员、博士后、研究生，以及致力于理解和开发下一代信息技术的工程师和学者。 本书特点： 理论深度与工程实践兼顾，数学推导严谨，结合最新的实验进展，为读者提供一个全面、深入且面向未来的量子信息与计算领域的权威指南。

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