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出版者:人民邮电出版社

作者:李津生

出品人:

页数:378

译者:

出版时间:2001-3

价格:39.0

装帧:精装

isbn号码:9787115091017

丛书系列:

图书标签:

• 网络
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《量子纠缠与信息传输的奥秘》 内容提要： 本书深入探讨了量子力学在信息科学领域颠覆性的应用前景，重点聚焦于量子纠缠现象的本质、其在超远距离量子通信中的实现路径，以及量子隐形传态技术的最新突破。全书分为五个部分，从量子比特的基础概念出发，逐步深入到复杂的量子网络架构设计与安全协议的构建。我们详尽分析了当前实验中面临的退相干挑战、纠错机制的理论模型，并前瞻性地展望了基于固态系统和光子系统构建实用化量子互联网的路线图。本书旨在为高等院校的物理学、计算机科学及信息工程专业的师生、科研人员以及对前沿量子技术抱有浓厚兴趣的专业人士，提供一份兼具理论深度与工程视野的参考读物。 --- 第一部分：量子基础与信息重构 本部分奠定了理解量子信息科学的理论基石。我们首先回顾了经典信息论的局限性，并引入了量子力学的基本公设，特别是波函数、希尔伯特空间以及算符的描述方式。核心章节详细阐述了“量子比特”（Qubit）的概念，对比了经典比特的确定性与量子比特的叠加态特性。 1.1 量子比特的数学描述与物理实现： 深入解析了泡利矩阵、旋转操作在描述量子态演化中的作用。重点讨论了当前主流的物理实现方案，如超导电路（Transmons）、囚禁离子（Trapped Ions）以及半导体量子点中自旋的编码方式。对不同物理系统的优缺点进行了量化比较，尤其关注其相干时间与可扩展性。 1.2 量子叠加态与测量： 详尽分析了量子测量的非酉演化特性，并用思想实验（如薛定谔的猫）来阐释测量对量子态的不可逆影响。引入了密度矩阵 formalism，用以描述混合态和退相干过程中的量子系统，这是理解实际噪声环境下的信息处理的关键。 1.3 量子纠缠的本质探索： 纠缠是本书的核心驱动力。本章超越了简单的贝尔不等式检验，深入探讨了“纠缠熵”的概念，量化了系统间的关联强度。我们探讨了“EPR悖论”的现代诠释，将其视为一种非定域性的量子关联，而非传统意义上的信息传递。 --- 第二部分：量子纠缠的生成、表征与分发 本部分聚焦于如何在实验室环境中可靠地产生、确认并分配纠缠对，这是构建所有高级量子技术的前提。 2.1 高效纠缠源的工程学： 详细介绍了基于自发参量下转换（SPDC）和自发四波混频（SFWM）的纠缠光子对产生机制。对泵浦光功率、晶体选择（如PPLN、BBO）对纠缠纯度（保真度）的影响进行了细致的建模与分析。此外，还涵盖了固态系统（如量子点或金刚石NV色心）中，通过级联跃迁或激发态耦合产生的纠缠对的产生技术。 2.2 贝尔态测量（BSM）的实现： BSM是验证和利用纠缠的关键步骤。本章详述了如何利用线性光学元件（分束器、相位延迟片）和探测器，对两个光子进行联合测量，以区分四个基本贝尔态。讨论了由于探测器效率限制导致的BSM的固有局限性，以及如何通过“提高探测效率”来突破这些限制。 2.3 纠缠纯度的量化与测试： 引入了密度矩阵的对角化方法来计算纠缠熵。重点介绍了如何通过一系列斯特恩-格拉赫实验或使用同态加密的量子态层析技术（Quantum State Tomography, QST）来重建和评估所生成纠缠态的真实保真度。 --- 第三部分：量子隐形传态与遥远连接 本部分将纠缠的概念转化为实际的远距离信息传递能力——量子隐形传态（Quantum Teleportation）。 3.1 隐形传态的理论框架： 详尽阐述了隐形传态协议的每一步操作：发送方（Alice）将待传输的量子态与她持有的纠缠粒子进行联合测量，并将经典测量结果传输给接收方（Bob），Bob根据测量结果对自己的粒子进行特定的酉变换，从而精确恢复出原始的量子态。强调了该过程不涉及超光速信息传输，因为经典信道的时延是不可避免的。 3.2 实验验证与距离扩展： 综述了近年来在地面光纤、自由空间（大气信道）以及卫星链路中实现的隐形传态距离记录。重点分析了大气湍流和光纤损耗对光子偏振态和时间依赖性的影响，以及如何通过实时反馈和自适应光学技术来补偿这些环境噪声。 3.3 多粒子纠缠与簇态： 拓展讨论了更高维度的纠缠结构——簇态（Cluster States）。簇态作为一种高度纠缠的资源态，是实现“一维量子总线”和“测量驱动计算”范式的核心。本章阐述了如何通过反复的纠缠交换操作来构建大规模的簇态。 --- 第四部分：构建量子中继器与网络架构 实现全球尺度的量子互联网，必须克服光子在光纤中传输的距离衰减问题，这需要量子中继器技术的突破。 4.1 量子中继器的必要性与挑战： 解释了为什么量子信号无法像经典信号那样直接放大（不可克隆定理）。引入了量子中继器的概念，其核心功能是“纠缠交换”（Entanglement Swapping）和“纠缠提纯”（Entanglement Purification）。 4.2 纠缠交换与提纯技术： 详细分解了纠缠交换的机制，即在不直接测量端点粒子的前提下，延长两个不相干的纠缠对之间的关联。随后，深入探讨了提纯协议（如基于贝尔态测量的纠错循环），如何通过重复的、受控的测量，将低保真度的纠缠态转化为高保真度的纠缠对，并分析了提纯过程中的资源消耗（如需要多少次初始纠缠对才能产生一对高质量的纠缠对）。 4.3 拓扑结构与路由算法： 展望了未来量子网络的拓扑设计，包括星型、环形以及全互联网络。讨论了量子数据包的寻址和路由问题，需要开发针对量子态特性的新型网络协议栈，以有效管理纠缠资源的分配和生命周期。 --- 第五部分：量子安全性与未来展望 本部分将量子技术的影响延伸至信息安全领域，并对未来技术发展趋势进行了理性评估。 5.1 量子密钥分发（QKD）的应用深度： 虽然本书不侧重于QKD的实现细节，但本章阐述了QKD作为“量子网络安全层”的核心价值。重点分析了BB84、E91等协议在理论上对窃听者的绝对安全性保证，并讨论了QKD网络部署中，如何与经典互联网进行高效的融合与协同。 5.2 实用化量子互联网的时间线与工程瓶颈： 对当前技术的成熟度进行了冷静的评估。强调了从实验室演示到大规模可扩展网络之间，尚存的高保真度量子存储器的缺失、高效率纠缠态同步的难度，以及系统功耗与环境稳定性等关键工程瓶颈。 5.3 量子计算与网络资源的协同： 探讨了未来量子计算节点（Quantum Processors）如何通过量子网络互联，形成分布式量子计算的能力。分析了这种分布式架构在解决特定组合优化问题上的潜在优势，以及对现有算法模型带来的变革。 --- 结论： 《量子纠缠与信息传输的奥秘》并非一本关于下一代互联网接入技术的指南，而是一份专注于量子物理在信息领域前沿应用的深度解析。它侧重于构建连接未来计算与通信的“量子基础层”，详细描绘了我们如何利用自然界最深层的关联性——量子纠缠，来突破经典物理定律对信息传输和处理的限制。本书不涉及IP地址、路由协议或5G/6G的频谱分配，而是专注于如何让信息的“载体”本身发生革命性的变化。

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学习IPv6的很好的一本书。

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