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出版者:电子工业出版社

作者:鲁业频

出品人:

页数:289

译者:

出版时间:2002-8

价格:27.00元

装帧:

isbn号码:9787505374218

丛书系列:

图书标签:

• 数字电视
• 电视技术
• 广播电视
• 数字通信
• 视频技术
• 信号处理
• 媒体技术
• 电子工程
• 通信工程
• 电视系统

《量子计算与信息科学前沿》图书简介 内容概要 本书系统而深入地探讨了量子计算和量子信息科学领域的最新进展与核心理论。全书共分为六大部分，涵盖了从基础的量子力学原理在信息处理中的应用，到前沿的量子算法设计、量子硬件实现技术，以及量子密码学和量子精密测量的理论框架。旨在为该领域的学生、研究人员以及工程师提供一个全面、深入且具有前瞻性的知识体系。 第一部分：量子力学基础与信息论的融合 本部分首先回顾了量子力学中必要的数学工具，如希尔伯特空间、算符理论以及密度矩阵 formalism，为后续的量子信息处理奠定坚实的理论基础。重点阐述了量子比特（Qubit）的概念，它是经典比特的本质性飞跃，并详细分析了叠加态和量子纠缠的物理内涵及其在信息论中的量化描述，例如冯·诺依曼熵和纠缠熵。本章特别引入了“信息几何”的视角，探讨如何用几何方法来理解和区分不同的量子态，以及量子测量过程对信息状态的不可逆影响。此外，还深入探讨了量子不可克隆定理的严格证明及其对量子通信的限制意义。 第二部分：量子计算模型与复杂性理论 本部分将焦点转向量子计算的计算模型。详细介绍了通用量子计算模型——量子电路模型，并对最基本的量子逻辑门（如Hadamard门、CNOT门、T门等）的矩阵表示和物理操作进行了透彻分析。随后，本书引入了其他重要的量子计算范式，包括绝热量子计算（Adiabatic Quantum Computation）的理论框架，特别是其与经典优化问题的内在联系，以及拓扑量子计算（Topological Quantum Computation）中基于非阿贝尔任意子的保护机制。 在理论复杂性方面，本书对BQP（有界误差量子多项式时间）复杂性类进行了详尽的讨论，并将其与经典复杂性类P、NP等进行了对比分析。通过对Shor算法（因式分解）和Grover算法（搜索问题）的逐步推导和复杂度分析，直观地展示了量子计算机在特定问题上的指数级或平方级加速的来源。同时，本书也审慎地讨论了量子计算的局限性，例如哪些问题仍被认为难以被量子计算机有效解决。 第三部分：核心量子算法的深入剖析 本部分是本书的核心技术章节，致力于对当前最具影响力的量子算法进行细致的分解和剖析。 量子傅里叶变换（QFT）：作为许多高级算法（如Shor算法）的关键子程序，QFT的推导、电路实现及其在周期查找问题中的应用被详细阐述。 相位估计算法（Phase Estimation Algorithm, PEA）：这是一种强大的工具，用于估算酉算符的本征值，其在模拟量子化学和求解线性方程组中的应用场景被重点剖析。 变分量子本征求解器（Variational Quantum Eigensolver, VQE）：针对当前NISQ（含噪声中等规模量子）时代的限制，VQE作为一种混合量子-经典优化方法被深入研究。本书不仅展示了其在分子基态能量计算中的潜力，还讨论了如何选择有效的 Ansatz（参数化量子电路）以避免“Barren Plateau”问题。 量子近似优化算法（Quantum Approximate Optimization Algorithm, QAOA）：主要针对组合优化问题，本书从其与经典模拟退火的相似性出发，解释了如何利用参数迭代来逼近问题的最优解。 第四部分：量子硬件平台的物理实现 本部分着眼于如何将抽象的量子算法转化为可执行的物理系统。本书没有偏向单一技术路线，而是对当前主流的量子比特实现方案进行了公平和深入的比较分析： 超导电路量子比特（Superconducting Qubits）：基于约瑟夫森结的系统，包括Transmon、Flux Qubit等。讨论了其高集成度的优势，以及在退相干时间、串扰和微波控制上的工程挑战。 离子阱系统（Trapped Ions）：利用激光冷却和电磁场囚禁的单个离子，讨论了其极高的相干性和全连通性，同时分析了扩展到大规模系统时的扩展性瓶颈。 光量子计算（Photonic Quantum Computing）：基于光子的偏振、路径或时间编码。重点分析了基于线性光学器件的方案（如Boson Sampling）和基于纠缠光子的制备技术。 半导体量子点与拓扑量子比特：简要介绍了半导体量子点中电子自旋作为量子比特的潜力，以及理论上更具鲁棒性的拓扑量子计算硬件前景。 第五部分：量子密码学与后量子密码学 本部分探讨了量子技术对信息安全构成的威胁及其应对策略。 量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）：详细介绍了BB84协议和E91协议的原理、实现细节和安全模型。重点讨论了QKD在实际网络环境中的安全认证和信道损失问题。 量子密码分析：重申了Shor算法对RSA和ECC等公钥系统的颠覆性威胁。 后量子密码学（Post-Quantum Cryptography, PQC）：由于QKD的部署限制，本书花费大量篇幅介绍了经典计算机上能抵抗量子攻击的密码学方案。详细分类讲解了基于格（Lattice-based, 如Kyber、Dilithium）、基于编码（Code-based, 如McEliece）、基于多元方程（Multivariate polynomial）以及基于同源（Isogeny-based）等主流PQC候选算法的数学基础、安全假设和性能权衡。 第六部分：前沿交叉领域：量子模拟与精密测量 本书最后扩展到量子信息科学与其他物理学分支的交叉前沿。 量子模拟（Quantum Simulation）：区分了模拟和通用计算，重点介绍了如何使用可控的量子系统（如超冷原子阵列）来模拟难以用经典计算机求解的复杂多体物理系统，例如高精度模拟哈密顿量的时间演化和临界现象。 量子精密测量（Quantum Metrology）：阐述了如何利用量子纠缠和压缩态（Squeezed States）突破经典测量（标准量子极限，SQL）的精度限制，达到海森堡极限（Heisenberg Limit）。应用领域包括引力波探测、高精度时钟和磁场传感。 本书以严谨的数学推导和丰富的物理直觉相结合的方式，力求为读者提供一个全面、深入且具有实践指导意义的量子计算与信息科学的知识宝库。

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