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出版者:Springer

作者:Jantsch, Axel; Tenhunen, Hannu;

出品人:

页数:303

译者:

出版时间:2010-10-12

价格:USD 199.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781441953445

丛书系列:

图书标签:

• NoC
• 片上网络
• 并行计算
• VLSI
• 计算机体系结构
• 通信架构
• 低功耗设计
• 可扩展性
• 异构计算
• 嵌入式系统

《量子信息学基础与前沿》 内容简介： 本书旨在为读者提供一个全面而深入的量子信息学知识体系，覆盖了从基础理论到当前研究热点的各个层面。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在帮助读者建立坚实的理论基础，并洞察该领域的最新发展趋势。 第一部分：量子力学基础与信息论的融合 本部分着重回顾和构建理解量子信息所需的数学和物理基础。首先，详细阐述了量子力学的核心概念，包括希尔伯特空间、态矢量、算符理论、薛定谔方程及其在有限维系统中的应用。特别地，对于量子信息至关重要的密度算符 formalism 进行了深入探讨，用以描述混合态和开放量子系统。 随后，我们将经典信息论的基石——香农信息论——与量子力学相结合。探讨了信息的本质在经典与量子世界中的差异。着重介绍了冯·诺依曼熵（Von Neumann Entropy）作为量子系统不确定性的核心度量，并与经典熵进行了对比分析。量子信道容量（Holevo bound）的概念被引入，为理解量子信道传输信息的能力设定了理论上限。 第二部分：量子比特与基本量子操作 本部分聚焦于量子信息的基本单元——量子比特（Qubit）的描述和操作。详细解释了量子比特的数学表示（Bloch 球），以及如何通过酉矩阵（Unitary Matrices）来描述系统的演化。 核心内容涵盖了量子逻辑门集的完备性分析。我们详细介绍了单比特门（如泡利门集、Hadamard门）和多比特门（如 CNOT, CZ, SWAP 门）的构造、性质及其在构建通用量子计算模型中的作用。对量子电路模型进行了形式化的描述，并讨论了量子线路的优化和分解问题。 第三部分：量子纠缠：资源与度量 纠缠是量子信息区别于经典信息的最核心特征。本部分将纠缠视为一种可量化的资源进行深入研究。首先，定义了各种主要的纠缠度量，包括纠缠熵（Entanglement Entropy）、纠缠值（Entanglement of Formation）以及纠缠见证者（Entanglement Witnesses）。探讨了纠缠的产生、制备和纯化过程。 此外，对贝尔态（Bell States）等最大纠缠态进行了详尽的分析，它们是量子隐形传态和超密编码的基石。对于多体系统，本书介绍了 GHZ 态和 Cluster 态等重要的纠缠态，并探讨了它们在分布式量子计算中的潜力。 第四部分：量子计算算法与复杂性 本部分系统地介绍了超越经典计算能力的量子算法。首先，对量子并行性（Quantum Parallelism）和相位估计算（Phase Estimation Algorithm, QPE）进行了详细的推导和应用分析，QPE 是许多高效量子算法的核心模块。 接着，重点分析了两个里程碑式的算法：Shor 算法和 Grover 算法。对 Shor 算法的数论基础（如量子傅里叶变换）和 Grover 算法的振幅放大机制进行了细致的剖析，并讨论了它们对现有公钥密码体制的潜在威胁。 在量子计算复杂性方面，本书介绍了 BQP（Bounded-Error Quantum Polynomial Time）复杂度类，并将其与经典复杂度类 P 和 NP 进行了比较，阐明了量子计算能力在可证明方面的优势与局限。 第五部分：量子通信与安全 量子通信是实现未来信息网络的核心技术。本部分探讨了基于量子力学原理实现的通信协议。 量子密钥分发（QKD）： 详细介绍了 BB84 协议和 E91 协议的原理、实现细节以及安全性证明。重点讨论了光子极化、相位编码的实际操作，以及对窃听者攻击（如测不准原理攻击、拦截-重发攻击）的防御机制。 量子隐形传态（Quantum Teleportation）： 阐述了如何利用纠缠辅助实现未知量子态的远距离传输，这是构建量子中继器的基础。 超密编码（Superdense Coding）： 展示了如何利用一个纠缠量子比特，以发送一个经典比特的方式传输两个经典比特信息，体现了量子资源对信息传输效率的提升。 第六部分：前沿研究方向：开放系统与容错 本部分展望了量子信息研究中的关键挑战和新兴领域。 开放量子系统（Open Quantum Systems）： 讨论了量子系统与环境（噪声）的不可避免的相互作用。引入了林布雷德方程（Lindblad Equation）来描述系统的非幺正演化，并探讨了退相干（Decoherence）对量子态维持的严重影响。 量子误差修正（Quantum Error Correction, QEC）： 针对退相干问题，本书详细介绍了 QEC 的基本思想，即用冗余的量子比特来保护信息。深入探讨了 Shor 码、Steane 码以及表面码（Surface Code）等主要的容错编码方案，分析了它们的最小距离、稳定子和纠错能力，这是实现可扩展量子计算机的必经之路。 量子模拟（Quantum Simulation）： 介绍了如何利用受控的量子系统来模拟难以处理的复杂物理系统，如多体物理、化学反应动力学等，这是量子计算在科学发现中的直接应用。 全书配有大量的数学推导、图示说明和精心设计的习题，适合物理学、计算机科学、电子工程等相关专业的本科高年级学生、研究生以及希望进入量子信息领域进行深入研究的科研人员和工程师参考阅读。本书力求在严谨性与可读性之间取得平衡，确保读者能够扎实掌握核心概念，并为未来探索更深层次的专业问题打下坚实基础。

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这本书的封面设计简洁而大气，深蓝色的背景搭配银白色的书名，透着一股严谨和科技感。翻开书页，纸张的触感很好，略带哑光的质感，印刷清晰，文字大小适中，阅读起来十分舒适。虽然我还没来得及深入阅读，但仅仅是浏览目录和前言，就感受到了作者深厚的功底和对“片上网络”这一领域的热情。目录条理清晰，从基础概念到前沿技术，覆盖面很广。我尤其被“异构SoC中的通信架构”和“高能效的片上网络设计”这些章节所吸引，它们似乎触及了当前芯片设计领域最棘手的挑战。我期待着书中能够详细阐述不同通信拓扑的优劣，以及如何针对特定的应用场景进行优化，比如在人工智能和高性能计算领域，对数据传输带宽和延迟的要求极为苛刻，一本能够提供实用解决方案的书籍将非常有价值。此外，对于“可重构片上网络”的探讨，也让我眼前一亮，这或许是未来芯片设计灵活性和可扩展性的关键。总的来说，这本书给我的第一印象是非常专业和有深度，相信它会成为我深入了解片上网络领域的重要参考。

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读完第一部分，我对片上网络（NoC）的基本概念有了更系统性的认识。作者以一种非常直观的方式，从早期的总线通信的局限性讲起，逐步引出了NoC的设计动机和核心组成部分，比如路由器、链路和节点接口。那些图示的解释，特别是关于拓扑结构的比喻，虽然抽象，却极大地帮助我理解了网格、环形、树形等不同结构的特点。我尤其欣赏作者在讲解通信协议时，没有仅仅停留在理论层面，而是穿插了一些实际的例子，虽然是虚构的，但能够让我联想到真实芯片设计中的一些考量，比如如何处理数据包的碰撞、如何保证数据的顺序传输等等。在这一部分的结尾，作者对不同通信协议（如XY路由、自适应路由）的初步介绍，已经让我开始思考在不同的应用场景下，哪种协议可能更适合。这本书的语言风格比较学术，但并不晦涩，很多地方通过类比和图示，将复杂的概念变得易于理解。它并非一本速成手册，而是一本需要认真研读，反复思考的书籍，我相信它能为我打下坚实的理论基础。

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最后，我被书中关于“未来趋势与新兴应用”的讨论深深吸引。在读完前面的理论和技术细节后，能够看到作者对未来片上网络发展方向的洞察，是一件令人兴奋的事情。章节中提到的“AI和机器学习的加速”是如何与NoC设计深度融合的，这让我看到了NoC不仅仅是芯片内部的通信骨架，更是实现下一代智能计算的关键赋能技术。作者对“异构计算”环境下NoC挑战的分析，比如如何高效地连接不同类型的处理器、加速器和内存，非常有前瞻性。此外，关于“可扩展性和低功耗”设计理念的强调，贯穿始终，这再次印证了NoC在当今和未来芯片设计中的核心地位。书中虽然没有直接给出具体的解决方案，但对于未来研究方向的指引，以及对新兴应用领域需求的分析，都极大地拓宽了我的视野。这本书不仅仅是关于“片上网络”本身，更是关于它如何支撑和驱动未来计算技术的进步。

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进入关于“性能建模与分析”的章节，这本书展现出了它在理论深度上的强大实力。作者没有回避NoC设计中最重要的挑战之一——如何准确地预测和评估一个设计在性能上的表现。从吞吐量、延迟到功耗，这些关键指标的分析方法被逐一剖析。我尤其对“流量建模”部分的讲解印象深刻，理解不同通信模式（如单播、多播、广播）如何影响网络负载，以及如何通过数学模型来量化这些影响，对于提前发现设计瓶颈至关重要。书中提供的多种性能分析技术，包括仿真和解析方法，让我看到了不同方法的适用范围和局限性。特别是关于“功耗分析”的部分，在当前追求极致能效比的芯片设计趋势下，这一点尤为重要。作者探讨了从硬件结构到通信策略如何影响功耗，这给我很大的启发。虽然部分数学推导需要花费一些时间去理解，但这种严谨的学术风格正是这本书的价值所在，它提供了一个进行科学评估和决策的框架，而非简单的经验之谈。

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我最近涉猎了关于“拥塞控制与路由策略”的章节，这部分内容非常精彩，直接触及了NoC设计的核心难点。作者没有回避NoC中最容易出现的问题——网络拥塞，并提供了几种不同的解决思路。关于“虚拟通道”的解释，我感觉是理解拥塞控制的关键。通过将物理通道逻辑上划分，为不同优先级或不同类型的流量提供了独立的缓冲和路由路径，这能够有效地避免死锁和减少延迟。此外，关于“自适应路由”的探讨，让我看到了NoC在应对动态变化的网络状况时的灵活性。不同于静态的XY路由，自适应路由能够根据实时的网络状态调整数据包的路径，这在存在热点或故障的复杂网络中显得尤为重要。书中还提到了不同的拥塞检测和缓解机制，例如基于缓冲区的压力反馈，或者是基于流量的预测。这些策略的引入，似乎为构建更鲁棒、更高效的NoC系统提供了切实可行的方案。这本书在这一部分的讲解，不仅仅是介绍理论，更多的是在引导读者思考如何设计出能够“聪明地”应对复杂网络环境的NoC。

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