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出版者:Morgan and Claypool Publishers

作者:Lanzagorta, Marco/ Uhlmann, Jeffrey

出品人:

页数:108

译者:

出版时间:2008-11-14

价格:USD 40.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781598297324

丛书系列:

图书标签:

量子计算
量子信息
计算机科学
量子算法
量子编程
量子力学
物理学
数学
信息技术
新兴技术

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具体描述

In this text we present a technical overview of the emerging field of quantum computation along with new research results by the authors. What distinguishes our presentation from that of others is our focus on the relationship between quantum computation and computer science. Specifically, our emphasis is on the computational model of quantum computing rather than on the engineering issues associated with its physical implementation. We adopt this approach for the same reason that a book on computer programming doesn't cover the theory and physical realization of semiconductors. Another distinguishing feature of this text is our detailed discussion of the circuit complexity of quantum algorithms. To the extent possible we have presented the material in a form that is accessible to the computer scientist, but in many cases we retain the conventional physics notation so that the reader will also be able to consult the relevant quantum computing literature. Although we expect the reader to have a solid understanding of linear algebra, we do not assume a background in physics. This text is based on lectures given as short courses and invited presentations around the world, and it has been used as the primary text for a graduate course at George Mason University. In all these cases our challenge has been the same: how to present to a general audience a concise introduction to the algorithmic structure and applications of quantum computing on an extremely short period of time. The feedback from these courses and presentations has greatly aided in making our exposition of challenging concepts more accessible to a general audience. Table of Contents: Introduction / The Algorithmic Structure of Quantum Computing / Advantages and Limitations of Quantum Computing / Amplitude Amplification / Case Study: Computational Geometry / The Quantum Fourier Transform / Case Study: The Hidden Subgroup / Circuit Complexity Analysis of Quantum Algorithms / Conclusions / Bibliography

《宏观世界中的量子纠缠与信息传输》书籍简介本书深入探讨了宏观尺度下量子力学现象的实际应用和理论基础，特别是量子纠缠在信息传输和计算领域的潜力与挑战。我们聚焦于如何将微观层面的量子效应扩展到日常可观测的物理系统中，并探讨这些宏观量子态的稳定性、可操控性以及它们对未来技术范式的颠覆性影响。第一部分：宏观量子态的建立与维持第一章：超越玻尔模型的宏观诠释本章首先回顾了量子力学的基本公设，但将重点从原子和亚原子粒子转向由大量粒子构成的宏观系统。我们分析了量子叠加态和波函数在系统尺寸增大时所面临的退相干（Decoherence）问题。书中详细阐述了量子态与环境相互作用的机制，引入了主方程（Master Equation）来描述开放量子系统的时间演化。我们通过数值模拟展示了不同材料和温度环境下，宏观量子相（如超导、玻色-爱因斯坦凝聚体）维持时间的长短，并对比了基于离子阱、中性原子阵列和固态系统（如氮-空位色心，NV-center）的宏观量子比特实现方案的优劣。第二章：环境耦合下的有效理论为了在宏观尺度上描述量子现象，必须发展出能够有效“屏蔽”环境噪声的理论框架。本章引入了有效哈密顿量的概念，展示了如何通过适当的基矢选择和高斯近似，将复杂的开放系统动力学简化为可在经典计算机上求解的有效模型。重点分析了环境辅助的量子操控技术，例如“涌现的量子热力学”——探讨在特定边界条件下，宏观系统如何表现出非经典的熵增或熵减行为。此外，我们对弱耦合极限下的量子Zeno效应和反Zeno效应进行了深入的理论推导和实验案例分析。第三章：拓扑量子比特与内在鲁棒性本章的核心在于拓扑量子计算的宏观实现路径。我们详细解析了非阿贝尔任意子的理论基础，并讨论了当前在人工晶格和分数量子霍尔效应体系中寻找这些拓扑准粒子的实验进展。拓扑保护机制是本章的关键：系统信息不存储在单个粒子的状态中，而是存储在整体的拓扑性质上，这天然地提供了对局域扰动的强大抵抗力。我们通过规范场论的视角，重新审视了马约拉纳费米子在超导线上的边界态，并评估了其在室温下维持拓扑相的可能性。第二部分：宏观量子纠缠的度量与操作第四章：纠缠的宏观度量学纠缠是量子信息理论的基石，但如何量化宏观系统中的纠缠是一个复杂的问题。本章系统地介绍了纠缠的各种定量度量标准，包括纠缠熵（Entanglement Entropy）、可分离性判据（如PPT判据），以及适用于高维或连续变量系统的度量方法。我们特别关注了保真度（Fidelity）在评估宏观纠缠态生成质量中的作用，并探讨了如何设计实验方案来直接测量宏观系统之间的互信息（Mutual Information），以区分经典关联和量子纠缠。第五章：宏观纠缠的制备与分发本章侧重于实验技术。我们详细剖析了利用腔量子电动力学（Cavity QED）和光力耦合系统（Optomechanics）制备宏观纠缠态的最新进展。在光力系统中，机械振子（如微小的鼓膜或悬臂梁）可以被强耦合到腔内的光场中，从而使机械振子的振动模式（本质上是大量的声子叠加）与光子的状态产生纠缠。书中提供了详细的激光冷却和边带冷却技术，以将这些宏观振动模式降至其零点能附近。此外，我们还讨论了长距离量子纠缠分发在基于光纤网络和卫星通信中的挑战，重点分析了中继节点处纠缠保持的瓶颈。第六章：量子隐形传态与宏观信息传输本书的这一部分探讨了利用已建立的宏观纠缠态执行量子信息任务。我们重温了量子隐形传态的理论框架，并将其应用于宏观尺度下的状态转移。例如，如何利用纠缠态将一个宏观粒子的特定量子属性（如角动量或振动相位）“传输”到另一个遥远的宏观对象上。书中详细分析了在有限的信道容量和存在背景噪声的情况下，保证高保真度传输所需的最小纠缠资源。我们还探讨了宏观尺度上对“测量”的重新定义，即如何设计环境耦合最小的投影测量，以避免在传输过程中破坏目标量子态的结构。第三部分：量子计算与模拟的宏观接口第七章：量子模拟器的工程学本章将焦点转向利用可控的宏观量子系统来模拟其他难以处理的物理模型。我们详细介绍了基于超冷原子阵列和光晶格的量子模拟器，它们能够模拟复杂的电子结构和多体物理问题，例如Hubbard模型。书中提供了从实验设置（激光束整形、磁光陷阱设计）到数据采集（拉曼光谱、布洛赫振荡分析）的完整流程。重点分析了如何通过动态调制晶格深度和相位，实时改变模拟系统的哈密顿量，从而实现对时间演化过程的精确跟踪。第八章：容错量子计算的宏观架构考量虽然本书不侧重于通用量子计算算法的推导，但我们必须讨论实现这些算法所需的底层硬件的宏观结构。本章探讨了如何将大量物理量子比特集成到一个可扩展的芯片架构中。我们评估了不同物理平台（如超导电路的平面集成、离子阱的模块化扩展）在实现高密度布线、低串扰耦合以及高效量子总线方面的工程挑战。特别强调了近邻耦合和长程耦合的策略，以及它们如何影响量子纠错码（如表面码）的性能和冗余开销。第九章：后量子时代的宏观信息安全最后，本章审视了宏观量子技术对信息安全领域带来的长期影响。我们讨论了量子密钥分发（QKD）在长距离和高带宽需求下的演进，特别是设备无关量子密钥分发（DIQKD）如何利用贝尔不等式的违背来提供更强大的安全性保证，即便对发送者和接收者的设备本身存在不信任。此外，本书还展望了宏观量子传感器（如原子钟和重力仪）如何提高计量精度，以及这些精度提升可能对密码学和时间同步标准产生的深远影响。 --- 目标读者：物理学、电子工程、信息科学及相关领域的研究人员、高年级本科生和研究生。关键词：宏观量子、退相干、拓扑保护、量子纠缠度量、量子光学、量子模拟器、设备无关安全。