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出版者:

作者:Maral, Gerard; Bousquet, Michel; Sun, Zhili

出品人:

页数:742

译者:

出版时间:2010-2

价格:940.00元

装帧:

isbn号码:9780470714584

丛书系列:

图书标签:

• 通信
• 卫星
• 卫星通信
• 通信系统
• 无线通信
• 信号处理
• 天线技术
• 轨道力学
• 调制解调
• 多址接入
• 卫星网络
• 微波技术

好的，这是一本关于量子计算与信息论的深度探讨著作的详细介绍。 --- 量子计算与信息论：超越香农极限的计算范式 书籍概述 《量子计算与信息论：超越香农极限的计算范式》是一部全面、前沿的学术专著，旨在为读者深入剖析量子信息科学的基石理论、核心算法及其在信息处理领域引发的革命性变革。本书不仅系统梳理了经典信息论（如香农理论）的深刻内涵与局限性，更聚焦于量子力学如何重塑我们对信息、计算和通信本质的理解。全书内容兼具理论的严谨性与实践的前瞻性，是高年级本科生、研究生、科研人员以及对未来计算技术怀有浓厚兴趣的工程师的理想参考资料。 本书的核心目标是构建一座桥梁，连接理论物理学、计算机科学、数学和通信工程学，揭示量子比特（Qubit）如何突破经典比特的物理瓶颈，实现指数级的计算加速和更高效的信息传输。 第一部分：信息论的基石与量子化的视角 本部分首先奠定了必要的理论基础，回顾并深化了读者对经典信息论的理解，并以此为出发点，引入量子世界对信息概念的颠覆性影响。 第一章：经典信息论的宏伟蓝图 本章从信息熵的数学定义出发，详细阐述了香农的信源编码定理和信道编码定理。重点分析了互信息（Mutual Information）在量化信息传输效率中的核心作用。我们深入探讨了有损压缩（如JPEG、MP3的理论基础）和无损压缩（如霍夫曼编码、算术编码）的极限，并讨论了在特定噪声模型下的信道容量计算方法。此外，本章还将引入最大熵原理，作为理解概率分布和信息缺失程度的强大工具。 第二章：量子力学的基本原理与信息载体 为了理解量子信息，必须首先掌握其物理基础。本章精炼回顾了量子力学的核心概念：希尔伯特空间、态矢量、算符（Observables）、测量公设以及波函数的演化（薛定谔方程）。随后，重点介绍了量子比特（Qubit）的概念，对比经典比特的确定性，阐释了叠加态（Superposition）和纠缠（Entanglement）作为量子信息资源的独特性质。我们将详细分析密度矩阵（Density Matrix）在描述混合态和开放量子系统中的应用。 第三章：量子信息学的基本度量 本章将经典信息论的度量体系移植到量子领域，并探讨其差异。引入了冯·诺依曼熵（Von Neumann Entropy），论证了它在描述量子态纯度上的优越性。关键内容包括：量子纠缠的量化指标，如纠缠熵（Entanglement Entropy）、纠缠度（Concurrence）等；以及量子互信息（Quantum Mutual Information）和量子保真度（Fidelity）在评估量子态相似性上的作用。这一部分强调了“纠缠”作为一种纯粹的量子资源，其价值远超其经典信息论的对应物。 第二部分：量子计算的核心机制与算法 本部分是全书的重心，专注于描述量子计算机如何工作，以及支撑其巨大潜力的关键算法。 第四章：量子逻辑门与电路模型 本章详细介绍了构建量子电路的基本元件——量子逻辑门。从单比特门（如泡利矩阵 $X, Y, Z$、哈达玛门 $H$）到多比特门（如 CNOT, SWAP, Toffoli 门），我们分析了这些门是如何实现幺正变换（Unitary Transformations）的。重点阐述了通用量子计算的完备性证明：只需一组单比特门和一个 CNOT 门即可实现任意幺正操作。此外，本章也将介绍量子电路的绘制规范和符号约定。 第五章：量子并行性与主要的加速机制 本章解释了量子计算实现指数级加速的理论基础——量子并行性。通过对叠加态的演化分析，说明了量子计算机如何“同时”处理多个输入。在此基础上，深入剖析了支撑主要量子算法的关键技术： 1. 量子傅里叶变换（QFT）：作为实现秀尔算法和相位估计算法的核心工具，详细推导了 QFT 的电路结构及其计算复杂度。 2. 振幅放大（Amplitude Amplification）：这是格罗弗搜索算法的通用框架，用于平方加速搜索问题。本章会用几何角度（反射操作）清晰阐释其迭代过程。 第六章：里程碑式的量子算法 本章聚焦于展示量子计算超越经典计算的两个标志性成果： 1. 秀尔（Shor）算法：详细剖析其将大数因子分解的复杂度从亚指数级降至多项式级的过程，并探讨其对现代公钥密码学（如 RSA）的潜在威胁。 2. 格罗弗（Grover）搜索算法：分析其在无结构数据库中将搜索复杂度从 $O(N)$ 降至 $O(sqrt{N})$ 的具体步骤，并讨论其普适应用场景。 3. 量子模拟：介绍如何利用量子系统模拟其他复杂的物理、化学系统，这被认为是量子计算最早可能实现实际应用的领域。 第三部分：量子通信与信息安全 本部分探讨量子理论在信息传输和安全保障方面的独特应用，揭示量子物理如何提供“无条件安全”的通信方式。 第七章：量子信道与噪声模型 本章将经典信道理论扩展到量子领域。定义了量子信道（由完全正映射 CPTP 描述），并引入了量子信道容量的概念。重点分析了常见噪声模型，如退相干（Decoherence）和去极化（Depolarizing Channel），及其对 Qubit 状态的破坏机制。我们还将探讨量子通道的表征工具，如乔克-孙斯图（Jamiolkowski-Choi Isomorphism）。 第八章：量子密钥分发（QKD）与超密编码 本章介绍量子信息技术在保障通信安全方面的最成熟应用。 1. BB84 协议：详细阐述了基于光子偏振态的 BB84 协议，并严格证明了其安全性基于量子力学的基本原理（如不可克隆定理）。 2. E91 协议与纠缠：介绍基于纠缠源的 QKD 方案，并强调其安全性与贝尔不等式的检验之间的内在联系。 3. 超密编码（Superdense Coding）与量子隐形传态（Teleportation）：解析了如何利用纠缠资源在单通道中传输两比特经典信息，以及如何仅凭经典通信和共享纠缠态实现未知量子态的传输。 第四部分：理论前沿与未来展望 本部分引导读者探索当前研究的热点和量子计算的工程挑战。 第九章：后量子密码学与量子容错计算 认识到量子计算机的威胁后，本章转向防御策略——后量子密码学（PQC）。我们将概述格基密码、基于编码的密码、多变量多项式密码等主要 PQC 候选方案，并讨论它们相对于经典密码的优缺点。随后，深入探讨量子容错的必要性，介绍核心概念如阈值定理、编码方案（如表面码 Surface Code）以及逻辑量子比特的构建方法。 第十章：可逆计算与物理极限 本章从信息处理的物理能耗角度审视计算的未来。引入兰道尔原理（Landauer's Principle），探讨信息擦除的不可避免的能耗。随后，讨论可逆计算的概念，解释如何设计无信息丢失的量子逻辑门，以及在何种计算范式下可以接近热力学极限。本书最终将以对拓扑量子计算等新兴硬件架构的讨论作结，展望超越当前技术的下一代计算范式。 --- 本书特色： 深度与广度兼备： 平衡了理论推导的严谨性与对前沿应用的介绍。 数学工具完备： 提供了必要的线性代数、概率论和群论的复习，确保读者能跟上复杂的数学描述。 清晰的对比： 贯穿全书，不断将量子概念与其经典的香农理论对应物进行对比，凸显量子的创新之处。 丰富的习题： 每章末尾包含难度递进的习题，鼓励读者动手实践，巩固理解。

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这本书最吸引我的地方在于它对卫星通信中关键技术的深入挖掘。作者在讲解卫星通信信号处理时，没有回避复杂的数学模型，而是用清晰的推导和详实的解释，让我能够理解其中的原理。我尤其对数字信号处理在卫星通信中的应用印象深刻，书中详细介绍了采样、量化、编码、解码、滤波等基本概念，以及它们在提高信号质量、抑制噪声方面的作用。作者还介绍了FFT（快速傅里叶变换）等算法在卫星通信中的应用，以及如何利用这些算法来分析和处理信号。让我印象深刻的是，作者在探讨频谱分析和动态频谱共享时，详细介绍了如何利用先进的信号处理技术来提高频谱利用率，以及如何在不同用户之间实现频谱的公平分配。书中还涉及了软件定义卫星（SDS）和认知无线电（CR）等前沿技术，让我认识到人工智能和机器学习在未来卫星通信中的重要作用。这些先进的技术探讨，让我对卫星通信的未来发展充满了期待，也为我指明了进一步学习的方向。

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阅读这本书的过程，就像在与一位资深工程师进行深度交流。作者在讲解过程中，常常穿插着大量的实际案例和工程经验，这使得原本抽象的技术概念变得生动具体。例如，在讨论卫星天线设计时，书中详细介绍了不同类型天线（如抛物面天线、相控阵天线）的优缺点，并结合实际的卫星平台和应用场景，分析了天线设计的关键考虑因素，如增益、波束宽度、极化等。书中还提供了实际的链路设计表格和计算方法，让我能够亲手进行链路预算的计算，从而更好地理解理论知识的应用。让我印象深刻的是，作者在讲解卫星载荷设计时，详细介绍了不同类型载荷的组成和功能，如通信载荷、遥感载荷、导航载荷等，并分析了载荷对卫星整体性能的影响，这让我对卫星的功能性有了更全面的认识。书中还涉及了卫星系统的可靠性设计和故障诊断，这些都是在实际工程中至关重要的环节，作者通过分析常见的故障模式和失效机制，并提出相应的预防和应对措施，让我对卫星系统的健壮性有了更深的理解。这本书的实用价值极高，让我感觉自己不仅学习了知识，更掌握了解决实际问题的能力。

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这本书的出版，无疑为卫星通信领域的研究者和从业者提供了一部宝贵的参考手册。作者在书中融汇了大量的最新研究成果和行业标准，使其内容具有很强的时效性和前沿性。我尤其对书中对卫星通信标准化进程的介绍印象深刻，详细阐述了ITU、CCSDS等国际组织在推动卫星通信标准化方面的作用，以及相关标准的制定过程。作者还对未来卫星通信技术的发展方向进行了预测，并提出了若干亟待解决的关键技术问题，这为我的进一步研究提供了宝贵的思路。让我印象深刻的是，书中还涉及了卫星通信的市场分析和商业模式探讨，让我能够从更宏观的视角来理解卫星通信产业的发展。例如，作者分析了不同服务提供商在卫星互联网市场的竞争态势，以及如何通过创新的商业模式来拓展卫星通信的应用领域。这本书不仅仅是一部技术专著，更是一份对卫星通信产业发展趋势的深度洞察，让我对未来的卫星通信充满了信心。

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这本书的结构安排也极具匠心，每一章节都像是一次精心设计的知识探险。作者遵循循序渐进的原则，从基础概念入手，逐步深入到复杂的系统设计和前沿技术。我尤其欣赏书中对各个章节之间的过渡处理，作者总是能够巧妙地将前一章的知识与下一章的内容联系起来，形成一个流畅的学习路径。让我印象深刻的是，书中在讲解通信星座设计时，详细阐述了覆盖范围、重访周期、功耗、成本等多个维度的权衡，并给出了不同的星座构型方案，如链式星座、网格星座等，这让我对星座设计的复杂性和多面性有了深刻的体会。此外，书中还提供了大量的图表、流程图和数据表格，这些可视化元素极大地增强了信息的传达效率，也方便我进行查阅和对比。这种清晰的结构和丰富的辅助材料，使得这本书成为我学习卫星通信过程中不可或缺的参考工具。

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这本书在讨论卫星通信安全问题时，展现了高度的警惕性和前瞻性。作者详细分析了卫星通信面临的各种安全威胁，如信号截获、欺骗、干扰、拒绝服务攻击等，并对这些威胁的潜在影响进行了深刻的剖析。我尤其对书中关于卫星通信物理层安全和应用层安全的研究印象深刻。在物理层安全方面，作者探讨了密钥分发、量子通信等技术在增强卫星通信安全性方面的应用前景。在应用层安全方面，作者则重点介绍了加密技术、身份认证、访问控制等措施在保障数据传输安全方面的作用。让我印象深刻的是，书中还讨论了网络安全和信息安全在整个卫星通信系统中的重要性，以及如何通过建立完善的安全管理体系来防范安全风险。作者还提到了应对太空碎片和空间天气对卫星系统安全的影响，这些都是非常具有现实意义的讨论。这本书让我深刻认识到，在享受卫星通信带来的便利的同时，我们必须时刻关注其安全性，并积极采取措施来应对潜在的威胁。

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从这本书中，我获得了对卫星通信系统宏观和微观层面都非常深刻的理解。作者在开篇就构建了一个清晰的卫星通信生态系统图景，从地面用户终端到卫星星座，再到地面控制中心，每一个环节的连接和互动都得到了细致的描绘。我尤其欣赏书中关于地面用户终端设计的章节，作者详细介绍了不同类型终端的特点，如手机、平板电脑、固定基站等，以及它们在功率、天线、处理能力等方面的要求。让我印象深刻的是，书中对卫星接入网络的讨论，不仅介绍了传统的接入方式，还展望了未来更灵活、更智能的接入模式，例如利用边缘计算和人工智能来优化网络资源分配。作者还详细探讨了不同轨道高度的卫星（如LEO、MEO、GEO）在网络接入方面的优势和劣势，以及如何根据不同的应用需求选择最合适的卫星星座。这种全局性的视角，让我能够将之前学习的零散知识点串联起来，形成一个完整的知识体系。

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这本书的语言风格非常独特，它既有学术的严谨性，又不失科学的趣味性。作者在阐述复杂概念时，善于运用生动的比喻和贴切的类比，让原本晦涩难懂的原理变得易于理解。例如，在解释卫星信号衰减的原理时，作者将大气层比作一层厚厚的“窗帘”，而信号就是透过窗帘的光线，不同厚度的窗帘会对光线的强度产生不同的影响。这种形象的描述，极大地降低了阅读门槛，也让我在轻松愉快的氛围中掌握了知识。让我印象深刻的是，作者在探讨不同通信协议时，用“语言”和“规则”来比喻，说明不同协议之间如何相互理解和通信，这使得我对TCP/IP协议、卫星专用协议等有了更直观的认识。书中还穿插了一些历史故事和人物轶事，例如早期的卫星通信先驱的探索经历，这为枯燥的技术叙述增添了不少人文色彩，也让我更加敬佩这些伟大的科学家和工程师。这种寓教于乐的方式，让我真正爱上了阅读这本书。

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这本书最让我惊艳的地方在于它对卫星通信系统设计的深度剖析。作者并没有停留在概念层面，而是切实地将读者带入了工程设计的思考过程。从最初的系统需求分析，到链路预算的建立，再到调制解调方案的选择，每一个环节都进行了详尽的论述。我尤其欣赏书中关于链路预算的章节，它以严谨的数学公式和实际案例相结合的方式，教会我如何计算和优化信号强度，确保通信质量。书中给出的各种噪声源分析，例如热噪声、散粒噪声、干扰噪声等，以及如何通过合理的系统设计来抑制这些噪声，着实让我受益匪浅。在调制解调技术方面，作者详细介绍了DPSK、QPSK、8PSK等多种调制方式，并对比了它们的频谱效率、抗干扰能力和复杂度，这对于我理解不同应用场景下最优调制方式的选择至关重要。此外，书中还探讨了信道编码技术，如卷积码、Turbo码、LDPC码等，以及它们在提高数据传输可靠性方面的作用，让我对纠错码有了更深刻的认识。让我印象深刻的是，作者在讨论多址接入技术时，不仅解释了FDMA、TDMA、CDMA等经典方法，还介绍了OFDMA和SDMA等先进技术，并结合实际的卫星通信应用，如卫星电视广播、移动卫星通信等，对其适用性进行了分析，这极大地拓展了我的视野。这本书的实践性非常强，让我感觉自己仿佛置身于一个真实的卫星通信项目现场，学习如何从零开始构建一个稳定高效的通信系统。

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这本书带给我的不仅仅是理论知识的灌输，更多的是一种思维方式的启迪。作者在探讨卫星通信的未来发展趋势时，展现了前瞻性的视野和深刻的洞察力。书中对下一代卫星通信技术，如高通量卫星（HTS）、低轨星座（LEO Constellations）、5G/6G与卫星通信的融合等，进行了深入的探讨。我特别对关于低轨星座的部分印象深刻，作者详细分析了其相较于传统GEO卫星的优势，如低延迟、高带宽，以及其在物联网、全球互联网覆盖等领域的巨大潜力。同时，书中也客观地指出了低轨星座所面临的挑战，例如星座管理、轨道拥挤、空间碎片等问题，并提出了一些可能的解决方案。在5G/6G与卫星通信融合方面，作者探讨了如何利用卫星网络来扩展地面网络的覆盖范围，实现无处不在的连接，以及如何在低延迟和高可靠性方面发挥卫星通信的作用，这让我对未来的通信格局有了全新的认识。书中还涉及了相关的政策法规、频谱分配以及国际合作等议题，这些宏观层面的讨论，让我认识到卫星通信发展不仅仅是技术问题，更是一个复杂的社会经济和政治议题。作者鼓励读者独立思考，并积极探索新的解决方案，这种开放性的探讨方式，激发了我对卫星通信领域更深入的研究兴趣。

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这本书的封面设计颇为引人注目，深邃的蓝色背景上勾勒出清晰的地球轮廓，几颗闪烁的卫星环绕其间，仿佛预示着一场关于太空通信的探索之旅。翻开扉页，我便被作者严谨的学术态度和清晰的逻辑结构所吸引。书中首先对卫星通信的历史发展进行了梳理，从早期艰难的地面信号传输到如今覆盖全球的卫星网络，每一个里程碑都被细致地描绘出来，让我对这项技术的演进有了深刻的认识。随后，作者深入浅出地讲解了卫星通信系统的基本组成部分，包括地面站、转发器、天线等，并详细阐述了它们各自的功能和工作原理。尤其值得称赞的是，书中对轨道力学和卫星轨道类型（如地球同步轨道、中低轨道等）的解释，用图文并茂的方式展现了卫星如何在浩瀚的宇宙中稳定运行，这部分内容虽然涉及复杂的物理学原理，但在作者的笔下却显得通俗易懂，让我这个非专业读者也能窥见其中的奥妙。此外，书中还对信号的传播路径、干扰源以及抗干扰技术进行了深入分析，对于理解卫星通信的鲁棒性和可靠性至关重要。让我印象深刻的是，作者在探讨不同频率频段（如L波段、Ku波段、Ka波段等）的特性时，不仅列举了各自的优缺点，还结合实际应用场景进行了详细说明，例如Ka波段在高速数据传输中的优势，以及其对地面设备的要求等，这让我对不同频段的应用有了更直观的认识，也为我后续的学习指明了方向。总之，这本书就像一位经验丰富的向导，带领我一步步深入卫星通信的奇妙世界。

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