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出版者:机械工业出版社

作者:周予滨

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:2004-1-1

价格:30.00

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787900119261

丛书系列:

图书标签:

• 电脑故障
• 硬件维修
• 软件问题
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• 网络故障
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• 故障诊断
• 电脑维护

深入探索：精通现代量子计算的理论与实践 本书聚焦于前沿的量子计算领域，旨在为读者提供一个从基础原理到尖端应用的全面、深入的理论框架和实践指导。我们完全避开了传统电子设备和经典计算机故障排除的范畴，将读者的注意力引向下一代计算范式的核心。 --- 第一部分：量子力学基石与信息论的融合 本部分将量子计算的数学和物理学基础置于核心地位，确保读者在接触复杂算法之前，对底层机制有扎实的理解。 第一章：经典信息的局限与量子革命的缘起 本章首先回顾了经典信息论的香农-冯诺依曼框架，并指出其在处理复杂系统模拟和密码破解等任务时所遭遇的根本性瓶颈。随后，我们引入了量子力学在宏观尺度上的奇异性，探讨了波函数、薛定谔方程（及其在有限维希尔伯特空间中的矩阵表示）如何为信息存储和处理提供了全新的维度。重点分析了信息量的定义如何从比特（bit）扩展到量子比特（qubit）。 第二章：量子力学核心概念的数学建模 深入探讨了量子计算的数学语言。详细阐述了狄拉克符号（Bra-ket notation）的严格用法，并以此为基础，系统地构建了量子态空间。 量子叠加态 (Superposition): 如何使用复数系数精确描述多重状态的线性组合，并讨论了测量坍缩的概率诠释。 量子纠缠 (Entanglement): 重点解析贝尔态（Bell States）的构造与性质，解释了 EPR 悖论的现代理解，并阐明纠缠作为量子计算资源的核心地位。 密度矩阵 (Density Matrices): 介绍使用密度矩阵来描述混合态和开放量子系统，这是理解噪声和退相干性的关键工具。 第三章：量子逻辑门与酉变换 本章是构建量子电路的基础。量子逻辑操作必须是可逆的，对应于酉（Unitary）矩阵的演化。 基本单比特门: 详述泡利矩阵 ($X, Y, Z$)、Hadamard 门 ($H$) 和相位门 ($S, T$) 的作用及其对量子态的影响。 多比特门与通用性: 深入分析受控非门（CNOT）、受控-$Z$ 门（CZ）等双比特门，并严格证明了 ${ ext{H}, ext{T}, ext{CNOT}}$ 集合是构建任何任意量子电路的通用门集。 量子电路的规范化与优化: 讨论如何将复杂的量子算法转化为最小化的量子门序列，侧重于酉矩阵的分解理论。 --- 第二部分：核心量子算法与计算模型 本部分将理论知识转化为实际的计算工具，详细剖析了支撑量子计算突破性潜能的关键算法。 第四章：量子并行性与搜索算法 本章聚焦于如何利用量子叠加态实现计算资源的指数级加速。 Deutsch-Jozsa 算法: 作为第一个展示量子优越性的非平凡算法，我们对其原理、电路实现和复杂度分析进行了彻底的剖析。 Grover 搜索算法: 详细推导了振幅放大（Amplitude Amplification）技术，解释了如何实现对无结构数据库的二次加速（从 $O(N)$ 到 $O(sqrt{N})$）。分析了最优迭代次数的确定。 量子行走的理论: 探讨了量子随机行走与经典随机行走在扩散速率上的差异，及其在特定图遍历问题中的应用潜力。 第五章：量子阶段估计算法与因子分解 这是量子计算最具革命性的应用领域，直接威胁到现有的公钥密码系统。 量子傅里叶变换 (QFT): 详细阐述 QFT 的电路结构及其与经典 DFT 的区别。证明 QFT 的指数级加速优势。 阶段估计算法 (QPE): 讲解 QPE 如何利用 QFT 提取酉操作符的特征值（即量子态的“相位”）。 Shor 算法的完整流程: 将 QPE 与周期查找相结合，完整演示 Shor 算法如何高效地分解大整数。深入讨论了其对 RSA 和 ECC 安全性的实际影响。 第六章：量子模拟与哈密顿量演化 量子计算机最自然的使命是模拟量子系统本身。本章关注高精度模拟技术。 费曼的启发与模拟的必要性: 解释为何经典计算机在模拟分子动力学和材料科学中的多体系统时会遇到指数级障碍。 Trotter-Suzuki 分解法: 详细介绍如何使用有限的量子门集对时间演化算符 $e^{-iHt}$ 进行近似分解。讨论一阶和二阶 Trotter 展开的误差分析。 变分量子本征求解器 (VQE): 作为混合量子-经典算法的代表，本章详细讲解 VQE 如何在噪声中型量子（NISQ）设备上寻找分子的基态能量，包括构建 ANSATZ 和优化循环的细节。 --- 第三部分：物理实现、错误控制与未来方向 本部分将目光投向当前的硬件挑战、软件框架以及量子计算的工程化路径。 第七章：实现量子比特的技术路线图 本章对当前主流的量子硬件平台进行深入的比较和评估，侧重于其物理特性而非电子元件的维修。 超导电路 (Superconducting Qubits): 探讨 Transmon 架构的物理机制、其优点（集成度高）和主要挑战（极低温环境、有限相干时间）。 囚禁离子 (Trapped Ions): 分析激光冷却、射频陷阱以及离子间的全局和局域相互作用如何实现高保真度的量子门操作。 拓扑量子比特与其他新兴方案: 简要介绍光子、中性原子、半导体量子点等前沿方案，重点讨论拓扑量子计算在固有抗噪性上的理论优势。 第八章：量子纠错与容错计算 处理量子系统固有的脆弱性是实现通用量子计算的必经之路。 噪声模型与退相干 (Decoherence): 详细分类和量化量子系统中的主要噪声来源（如 $T_1$ 弛豫、$T_2$ 退相干和退极化）。 经典纠错与量子纠错的根本差异: 解释为什么经典错误检测码（如汉明码）不适用于量子态的“复制”限制（No-Cloning Theorem）。 表面码 (Surface Codes) 及其阈值: 深入解析表面码的结构、逻辑比特的编码方式以及实现容错计算所需的物理比特数和门保真度阈值。 第九章：量子软件栈与编程范式 本章指导读者如何使用现代工具来设计和运行量子程序。 量子汇编语言与中间表示: 探讨 OpenQASM 3.0 等语言的特性，以及如何将高级算法映射到底层硬件指令集。 量子编程框架： 详细介绍 Qiskit, Cirq, PennyLane 等主流软件开发工具包（SDK）的架构和使用方法，重点在于如何利用这些框架进行电路构建、模拟器运行和噪声感知优化。 未来展望： 总结 NISQ 时代的局限性，并展望通用容错量子计算机（FTQC）在材料科学、药物发现和优化问题中可能带来的颠覆性变革。 --- 总结： 本书是一部面向理论物理、计算机科学和工程学领域研究人员和高阶学习者的深度参考书。它不涉及任何传统计算机硬件的维护、诊断或故障排除。相反，它提供了一套严谨的数学工具、算法蓝图和前沿物理洞察，使用户能够理解并参与到量子计算的尖端研究与开发浪潮中。全书内容紧密围绕量子信息、算法复杂性、物理实现三大核心支柱展开。

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