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出版者:清华大学出版社

作者:朱劲松

出品人:

页数:264

译者:朱劲松

出版时间:2004-9-1

价格:45.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302090144

丛书系列:

图书标签:

• 铁电存储器
• 存储器
• 非易失性存储器
• 铁电材料
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• 数据存储
• 电子工程

《量子计算与信息科学前沿探索》 内容提要 本书深入剖析了当代量子计算领域最前沿的研究方向、核心理论基础与新兴应用场景。全书共分七个主要章节，从量子力学的基本原理出发，系统梳理了量子比特的实现技术、量子逻辑门的构建、以及量子纠错理论的最新进展。重点阐述了当前主导的几种主流量子计算范式，包括基于超导电路的量子计算、离子阱量子计算、拓扑量子计算以及光量子计算的最新进展和面临的工程挑战。 第一部分：量子计算的理论基石与硬件实现 第一章：量子力学的复兴与量子信息论 本章首先回顾了量子力学自诞生以来在微观世界解释上的巨大成功，并着重探讨了其在信息处理领域如何被重新诠释。我们详细分析了量子叠加态（Superposition）和量子纠缠（Entanglement）这两个核心概念如何超越经典信息论的范畴，为信息存储和传输带来了根本性的变革。 1.1 概率幅与波函数的物理意义： 深入讨论布洛赫球（Bloch Sphere）在描述单量子比特状态中的应用，以及如何利用概率幅计算测量结果。 1.2 量子不可克隆定理及其对加密的意义： 阐述了该定理如何奠定量子密码学安全性的理论基础。 1.3 量子信息度量： 介绍了冯·诺依曼熵（von Neumann Entropy）在量化量子系统不确定性中的作用，并对比了经典信息熵的局限性。 第二章：构建通用量子计算机的硬件挑战 本章聚焦于如何将抽象的量子比特在物理世界中得以实现。我们对当前主流的几种物理系统进行了详尽的比较分析，侧重于它们的退相干时间（Decoherence Time）、耦合精度和可扩展性。 2.1 超导电路量子比特（Transmons与Flux Qubits）： 分析了基于约瑟夫森结的电路设计，探讨了如何通过微波脉冲精确控制能级跃迁。特别关注了如何在高密度集成电路中管理热噪声和串扰问题。 2.2 囚禁离子系统（Trapped Ions）： 详细介绍了使用激光冷却和电磁场约束单个原子离子的技术。重点讨论了Mølmer–Sørensen（MS）门等高保真度的多体相互作用实现方式。 2.3 固态系统进展： 考察了硅基量子点（Quantum Dots）和金刚石色心（NV Centers）的最新成果，这些系统在集成化和环境适应性方面展现出潜力。 第二部分：算法、软件与错误抑制 第三章：量子算法的革命性飞跃 本章系统介绍了已开发的几类对经典计算构成颠覆性挑战的量子算法，并分析了它们在特定计算领域的性能优势。 3.1 秀尔算法（Shor's Algorithm）的数学基础： 详述了量子傅里叶变换（QFT）在周期查找中的应用，及其对现代公钥加密体系的潜在威胁。 3.2 格罗弗搜索算法（Grover's Algorithm）： 探讨了其平方加速的机制，以及在非结构化数据库搜索中的实际应用前景。 3.3 量子模拟： 重点阐述了如何使用量子计算机精确模拟复杂的分子结构和材料特性，这是NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代最有希望的实际应用之一。 第四章：量子纠错码（QEC）与容错计算 量子计算的脆弱性使得错误控制成为构建大规模、通用量子计算机的决定性因素。本章详细介绍了容错计算（Fault-Tolerant Computing）的必要性及实现机制。 4.1 噪声模型的建立： 分析了主要的错误来源，包括比特翻转（Bit Flip）和相位翻转（Phase Flip）。 4.2 表面码（Surface Codes）的拓扑保护： 深入解析了表面码的编码结构、稳定子测量以及阈值理论，这是目前最受关注的容错方案。 4.3 逻辑量子比特的制备与维护： 讨论了如何通过冗余编码将多个物理量子比特组合成一个高保真度的逻辑量子比特。 第三部分：新兴范式与未来展望 第五章：拓扑量子计算的内在优势 本章专注于拓扑量子计算，这是一种试图利用物质的拓扑性质来天然抵抗局部噪声干扰的独特方法。 5.1 准粒子与任意子（Anyons）： 介绍了非阿贝尔（Non-Abelian）任意子的概念，以及它们如何通过编织（Braiding）操作实现量子门。 5.2 马约拉纳费米子的搜寻： 讨论了在超导/半导体异质结中寻找和操控马约拉纳零模的最新实验进展。 第六章：基于光的量子信息处理 本章探讨了光子作为信息载体的优势，特别是在远距离传输和高速度计算方面的潜力。 6.1 单光子源与探测器： 介绍了高效率、可分辨的单光子源（如基于量子点）和高增益探测技术。 6.2 量子点阵与线性光学量子计算（LOQC）： 讨论了如何利用分束器和光子间的线性相互作用实现计算，以及测量诱导的非线性效应。 第七章：量子计算的工程化与未来路线图 本书的最后一部分着眼于将理论和原型机转化为实际可用的计算资源。 7.1 NISQ 设备的编程与优化： 介绍了变分量子本征求解器（VQE）和量子近似优化算法（QAOA）等面向含噪中等规模量子（NISQ）设备的混合经典-量子算法的设计与实现。 7.2 量子网络与分布式计算： 探讨了如何利用量子中继器和量子存储器构建安全的、远距离的量子互联网。 7.3 跨学科融合： 展望了量子计算、人工智能和材料科学的交叉领域，预测了未来十年内量子技术可能实现的重大突破。 读者对象 本书适合对量子物理、计算机科学、信息论有一定基础的高年级本科生、研究生，以及希望深入了解量子计算前沿技术的研究人员和工程师。阅读本书需具备扎实的线性代数和基础物理知识。

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对存储器部分介绍广泛，但基础理论介绍过于简明扼要

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