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出版者:機械工業齣版社

作者:周予濱

出品人:

頁數:300

译者:

出版時間:2004-1-1

價格:30.00

裝幀:平裝（帶盤）

isbn號碼:9787900119261

叢書系列:

圖書標籤:

• 電腦故障
• 硬件維修
• 軟件問題
• 係統崩潰
• 數據恢復
• 病毒清除
• 網絡故障
• DIY維修
• 故障診斷
• 電腦維護

深入探索：精通現代量子計算的理論與實踐 本書聚焦於前沿的量子計算領域，旨在為讀者提供一個從基礎原理到尖端應用的全麵、深入的理論框架和實踐指導。我們完全避開瞭傳統電子設備和經典計算機故障排除的範疇，將讀者的注意力引嚮下一代計算範式的核心。 --- 第一部分：量子力學基石與信息論的融閤 本部分將量子計算的數學和物理學基礎置於核心地位，確保讀者在接觸復雜算法之前，對底層機製有紮實的理解。 第一章：經典信息的局限與量子革命的緣起 本章首先迴顧瞭經典信息論的香農-馮諾依曼框架，並指齣其在處理復雜係統模擬和密碼破解等任務時所遭遇的根本性瓶頸。隨後，我們引入瞭量子力學在宏觀尺度上的奇異性，探討瞭波函數、薛定諤方程（及其在有限維希爾伯特空間中的矩陣錶示）如何為信息存儲和處理提供瞭全新的維度。重點分析瞭信息量的定義如何從比特（bit）擴展到量子比特（qubit）。 第二章：量子力學核心概念的數學建模 深入探討瞭量子計算的數學語言。詳細闡述瞭狄拉剋符號（Bra-ket notation）的嚴格用法，並以此為基礎，係統地構建瞭量子態空間。 量子疊加態 (Superposition): 如何使用復數係數精確描述多重狀態的綫性組閤，並討論瞭測量坍縮的概率詮釋。 量子糾纏 (Entanglement): 重點解析貝爾態（Bell States）的構造與性質，解釋瞭 EPR 悖論的現代理解，並闡明糾纏作為量子計算資源的核心地位。 密度矩陣 (Density Matrices): 介紹使用密度矩陣來描述混閤態和開放量子係統，這是理解噪聲和退相乾性的關鍵工具。 第三章：量子邏輯門與酉變換 本章是構建量子電路的基礎。量子邏輯操作必須是可逆的，對應於酉（Unitary）矩陣的演化。 基本單比特門: 詳述泡利矩陣 ($X, Y, Z$)、Hadamard 門 ($H$) 和相位門 ($S, T$) 的作用及其對量子態的影響。 多比特門與通用性: 深入分析受控非門（CNOT）、受控-$Z$ 門（CZ）等雙比特門，並嚴格證明瞭 ${ ext{H}, ext{T}, ext{CNOT}}$ 集閤是構建任何任意量子電路的通用門集。 量子電路的規範化與優化: 討論如何將復雜的量子算法轉化為最小化的量子門序列，側重於酉矩陣的分解理論。 --- 第二部分：核心量子算法與計算模型 本部分將理論知識轉化為實際的計算工具，詳細剖析瞭支撐量子計算突破性潛能的關鍵算法。 第四章：量子並行性與搜索算法 本章聚焦於如何利用量子疊加態實現計算資源的指數級加速。 Deutsch-Jozsa 算法: 作為第一個展示量子優越性的非平凡算法，我們對其原理、電路實現和復雜度分析進行瞭徹底的剖析。 Grover 搜索算法: 詳細推導瞭振幅放大（Amplitude Amplification）技術，解釋瞭如何實現對無結構數據庫的二次加速（從 $O(N)$ 到 $O(sqrt{N})$）。分析瞭最優迭代次數的確定。 量子行走的理論: 探討瞭量子隨機行走與經典隨機行走在擴散速率上的差異，及其在特定圖遍曆問題中的應用潛力。 第五章：量子階段估計算法與因子分解 這是量子計算最具革命性的應用領域，直接威脅到現有的公鑰密碼係統。 量子傅裏葉變換 (QFT): 詳細闡述 QFT 的電路結構及其與經典 DFT 的區彆。證明 QFT 的指數級加速優勢。 階段估計算法 (QPE): 講解 QPE 如何利用 QFT 提取酉操作符的特徵值（即量子態的“相位”）。 Shor 算法的完整流程: 將 QPE 與周期查找相結閤，完整演示 Shor 算法如何高效地分解大整數。深入討論瞭其對 RSA 和 ECC 安全性的實際影響。 第六章：量子模擬與哈密頓量演化 量子計算機最自然的使命是模擬量子係統本身。本章關注高精度模擬技術。 費曼的啓發與模擬的必要性: 解釋為何經典計算機在模擬分子動力學和材料科學中的多體係統時會遇到指數級障礙。 Trotter-Suzuki 分解法: 詳細介紹如何使用有限的量子門集對時間演化算符 $e^{-iHt}$ 進行近似分解。討論一階和二階 Trotter 展開的誤差分析。 變分量子本徵求解器 (VQE): 作為混閤量子-經典算法的代錶，本章詳細講解 VQE 如何在噪聲中型量子（NISQ）設備上尋找分子的基態能量，包括構建 ANSATZ 和優化循環的細節。 --- 第三部分：物理實現、錯誤控製與未來方嚮 本部分將目光投嚮當前的硬件挑戰、軟件框架以及量子計算的工程化路徑。 第七章：實現量子比特的技術路綫圖 本章對當前主流的量子硬件平颱進行深入的比較和評估，側重於其物理特性而非電子元件的維修。 超導電路 (Superconducting Qubits): 探討 Transmon 架構的物理機製、其優點（集成度高）和主要挑戰（極低溫環境、有限相乾時間）。 囚禁離子 (Trapped Ions): 分析激光冷卻、射頻陷阱以及離子間的全局和局域相互作用如何實現高保真度的量子門操作。 拓撲量子比特與其他新興方案: 簡要介紹光子、中性原子、半導體量子點等前沿方案，重點討論拓撲量子計算在固有抗噪性上的理論優勢。 第八章：量子糾錯與容錯計算 處理量子係統固有的脆弱性是實現通用量子計算的必經之路。 噪聲模型與退相乾 (Decoherence): 詳細分類和量化量子係統中的主要噪聲來源（如 $T_1$ 弛豫、$T_2$ 退相乾和退極化）。 經典糾錯與量子糾錯的根本差異: 解釋為什麼經典錯誤檢測碼（如漢明碼）不適用於量子態的“復製”限製（No-Cloning Theorem）。 錶麵碼 (Surface Codes) 及其閾值: 深入解析錶麵碼的結構、邏輯比特的編碼方式以及實現容錯計算所需的物理比特數和門保真度閾值。 第九章：量子軟件棧與編程範式 本章指導讀者如何使用現代工具來設計和運行量子程序。 量子匯編語言與中間錶示: 探討 OpenQASM 3.0 等語言的特性，以及如何將高級算法映射到底層硬件指令集。 量子編程框架： 詳細介紹 Qiskit, Cirq, PennyLane 等主流軟件開發工具包（SDK）的架構和使用方法，重點在於如何利用這些框架進行電路構建、模擬器運行和噪聲感知優化。 未來展望： 總結 NISQ 時代的局限性，並展望通用容錯量子計算機（FTQC）在材料科學、藥物發現和優化問題中可能帶來的顛覆性變革。 --- 總結： 本書是一部麵嚮理論物理、計算機科學和工程學領域研究人員和高階學習者的深度參考書。它不涉及任何傳統計算機硬件的維護、診斷或故障排除。相反，它提供瞭一套嚴謹的數學工具、算法藍圖和前沿物理洞察，使用戶能夠理解並參與到量子計算的尖端研究與開發浪潮中。全書內容緊密圍繞量子信息、算法復雜性、物理實現三大核心支柱展開。

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