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出版者:第1版 (2005年4月1日)

作者:解月珍

出品人:

页数:270

译者:

出版时间:2005-4

价格:25.00元

装帧:平装

isbn号码:9787111157731

丛书系列:

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书籍简介：量子计算与信息科学前沿探索 （本书聚焦于经典电子电路理论之外的尖端领域，深入剖析量子力学原理如何重塑信息处理与计算范式。） --- 第一部分：量子物理基础与信息载体 本书致力于为读者搭建一座从经典物理概念迈向量子信息世界的桥梁，详尽阐述支撑量子计算的物理学基础。我们不会探讨传统的半导体器件或分立元件电路的特性，而是将焦点完全转移至微观粒子的奇特性质。 第一章：量子力学的基石 本章首先回顾了经典物理学在解释原子尺度现象时的局限性，随后引入了波粒二象性、不确定性原理以及普朗克常数在信息理论中的核心地位。重点解析了薛定谔方程的数学结构及其在描述量子系统随时间演化中的关键作用。我们深入探讨了态叠加原理（Superposition），这是量子计算区别于经典比特的根本所在。通过严谨的数学推导，阐释了系统如何同时处于多种可能状态的物理意义，并展示了如何用复数向量空间（希尔伯特空间）来精确描述这些量子态。 第二章：量子比特（Qubit）的实现与表征 经典电路使用电压的高低来表示0或1，而量子计算则依赖于量子比特。本章详细介绍了当前实验中几种主要的量子比特载体及其物理实现方案。我们不涉及欧姆定律或晶体管开关的特性，而是专注于原子、离子、光子、超导电路（如Transmon）的微观能级结构。 能级跃迁与信息编码： 阐述如何将原子或离子的特定内部能级（如基态和激发态）映射为逻辑 $|0 angle$ 和 $|1 angle$。 布洛赫球（Bloch Sphere）几何描述： 利用三维几何模型直观展示单个量子比特的状态空间，对比经典比特在二维平面上的局限性，强调量子态的连续性和旋转特性。 量子相干性（Coherence）： 详细讨论相干性在保持量子信息完整性中的关键作用，以及退相干（Decoherence）作为主要技术瓶颈的物理机制，包括与环境的耦合和热噪声的影响。 第三章：量子纠缠：超越定域实在论 纠缠态是量子信息处理中最强大的资源。本章深入分析了爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的EPR佯谬，并从实验角度验证了贝尔不等式的违反，从而确立了量子世界的非定域性。 多粒子系统的张量积： 阐述如何使用张量积来构建包含多个量子比特的复合系统态空间。 Bell态的构造与测量： 详细介绍如何通过特定操作（如Hadamard门和受控非门）制备最大纠缠态（如 $Phi^+$ 态），并分析对这些态进行联合测量时，结果之间表现出的强关联性。 纠缠的应用潜力： 简要提及纠缠态在量子隐形传态（Teleportation）和量子密钥分发中的不可替代性。 --- 第二部分：量子门操作与计算模型 本部分将视角从静态的量子态转向动态的演化过程，专注于如何利用物理操作（量子门）来操纵量子态，从而构建可编程的量子计算机。 第四章：单比特和多比特量子逻辑门 经典电路依赖于AND, OR, NOT等逻辑门，而量子计算则依赖于可逆的酉矩阵（Unitary Matrices）操作。本章详细剖析了构建通用量子计算机所需的基本门集。 单比特旋转门： 深入解析泡利矩阵 ($X, Y, Z$)、Hadamard门（H）以及相位门（S, T），展示它们如何对应于布洛赫球上的旋转操作。 基础双比特门： 重点分析 CNOT（受控非门）和CZ（受控Z门）作为构建多比特交互的核心。详细推导CNOT门在量子线路图中的符号表示及其矩阵形式，并解释其如何实现量子信息的分发和受控逻辑。 通用性证明： 阐述Solovay-Kitaev定理等，证明有限的几类量子门组合足以实现任意精度的酉变换，从而保证了通用量子计算的可行性。 第五章：量子线路设计与算法框架 本章将理论的量子门操作转化为可执行的计算流程，介绍量子算法的设计范式。 量子线路图（Quantum Circuit Diagram）： 标准化表示法，展示如何将一系列量子门序列化地表示为对一组量子比特的操作流程。 量子傅里叶变换（QFT）： 详尽介绍QFT的数学原理和线路实现。与经典FFT相比，QFT在指数级加速某些代数运算方面展现出潜力，是Shor算法的关键组成部分。 相位估计（Quantum Phase Estimation, QPE）： 阐述QPE作为一种核心技术，如何利用QFT从酉算子中提取特征值（相位信息），为求解特征值问题奠定基础。 第六章：里程碑式的量子算法分析 本章将前面构建的门和线路应用于著名的量子计算模型，展示其相对于经典算法的加速优势。 Grover搜索算法： 深入剖析振幅放大（Amplitude Amplification）机制。详细分析Grover迭代器的构造，包括扩散算子（Diffusion Operator）和目标态标记（Oracle）的实现方式，并量化其在非结构化搜索中获得的平方加速。 Shor分解算法： 重点分析Shor算法中如何将大数分解问题规约为寻找周期问题，并解释QPE如何在指数复杂度上超越经典算法，对现代公钥密码体系构成潜在威胁。 量子模拟（Quantum Simulation）： 探讨如何利用量子计算机精确模拟其他复杂的量子多体系统（如分子结构或材料特性），展示量子计算在物理和化学研究中的独特价值。 --- 第三部分：当前挑战与未来展望 本书最后一部分将讨论当前实现大规模容错量子计算所面临的工程与理论障碍。 第七章：噪声中型量子设备（NISQ）时代 本章聚焦于当前可用的、受限于量子比特数量和噪声水平的设备。 变分量子本征求解器（VQE）： 介绍一种混合量子-经典优化方法，用于近似求解哈密顿量的基态能量，这是当前化学模拟的主流方法。 量子近似优化算法（QAOA）： 阐述QAOA如何应用于解决组合优化问题（如Max-Cut），并分析其在当前噪声环境下的性能局限性。 可扩展性的瓶颈： 讨论连接、控制和读出量子比特的工程难度，以及如何设计更有效的脉冲序列来抑制环境噪声。 第八章：容错量子计算的理论基石 为实现通用、可靠的量子计算，必须克服错误积累的问题。 量子误差的性质： 区分比特翻转错误和相位错误，并解释为什么经典错误纠正码不直接适用于量子态。 表面码（Surface Codes）与拓扑保护： 详细介绍基于二维晶格的拓扑量子纠错码，解释其如何通过编码冗余信息到多个物理比特上来抵抗局部错误，以及物理比特到逻辑比特的开销。 量子计算机的架构展望： 总结不同物理平台（超导、离子阱、光子、拓扑量子计算等）在实现大规模容错计算方面的优势与固有挑战，展望未来计算范式的演进方向。 --- 本书总结： 本书为读者提供了一套完整的知识体系，从量子力学的基本公设出发，构建了量子信息处理的数学框架，深入剖析了量子门操作的本质，并分析了主流量子算法的加速原理。内容完全聚焦于量子信息科学这一前沿领域，与传统电子电路的经典理论和应用领域保持清晰的边界。它旨在培养读者对下一代计算技术的深刻理解，而非对现有电子工程基础的复述或拓展。

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这本书的封面设计得相当有年代感，那种略带磨损的纹理和褪色的油墨色调，一下子把我拉回了那个模拟电路还占据主导地位的年代。我原本是抱着学习现代数字逻辑和微控制器基础的期望翻开它的，但很快我就意识到，这是一本非常“扎实”的教科书。它花了大量的篇幅去讲解半导体PN结的物理特性，晶体管的静态工作点分析，以及放大电路的等效模型。坦白说，对于一个急于上手搭建一个基于Arduino的项目的初学者来说，这些内容显得有些过于“形而上”。我花了将近一个星期的时间才啃完前三章，里面充满了复杂的泰勒级数展开和各种电流电压的微分方程。虽然我能理解作者试图建立一个坚实的理论基础，但学习过程中总感觉像是在攀登一座陡峭的山峰，看不到明确的短期目标。当我翻到后面关于运算放大器（Op-Amp）的应用部分时，那种感觉更甚，各种反相、同相、积分电路的推导过程长得让人望而生畏。我更希望看到的是直接的应用实例，比如如何用一个标准的运放搭建一个简单的有源滤波器，而不是对理想运放的每一个参数进行近乎苛刻的数学论证。总体来说，如果你想成为一名理论物理学家级别的电子工程师，这也许是一本宝典，但对于工程实践导向的学习者，它可能更像一本需要耐力的马拉松。

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这本书的习题设置，与其说是帮助理解，不如说更像是一种智力测验。每一个章节末尾的练习题都极具挑战性，而且绝大多数都是纯理论推导或复杂的数值计算。例如，在讨论BJT共射极放大器时，设计题目要求计算在特定温度漂移和元件容差下的最小和最大电流增益范围，这需要将好几个公式嵌套在一起进行极限分析。对于课堂演示或者自我检验来说，这些题目无疑是很好的，它们能真正考验你对公式的掌握程度。但问题在于，这些习题很少直接对应到实际的电路搭建场景。我做完一套习题，往往会产生一种“我做完了很复杂的数学题”的成就感，而不是“我学会了如何设计一个工作良好的放大器”的工程感。我尝试用书中的方法设计一个驱动LED的简单电流源，结果发现，书中的理想模型与现实电路在参数匹配上存在巨大的鸿沟，而书中并没有提供如何弥合这种模型与现实之间差距的指导。这让我感觉像是在一个完美的真空环境中进行物理实验，脱离了现实世界的“噪声”和“不确定性”。

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这本书的排版和插图风格非常传统，几乎可以说是“复古”。每一页的文字密度都非常高，小小的宋体字挤在一起，看起来有些让人喘不过气来。我个人更偏爱现代教材中那种图文并茂、留白充足的布局，这样在学习复杂概念时眼睛不容易疲劳。遗憾的是，这本书里大量的电路图都是那种黑白线条的，缺乏现代教科书中常见的颜色编码和高亮显示，导致我在区分不同元件的连接时，需要花费额外的心思去追踪导线。更让我感到困扰的是，书中对现代电子元件的覆盖几乎是空白。我期望能看到关于MOSFET的详细讲解，或者至少提及一下SMD（表面贴装器件）的焊接和布局基础，但这些内容完全没有涉及。它似乎停留在上个世纪八九十年代的教学标准上，很多例子用的还是那个时代的主流器件型号。这使得我在试图将书中学到的知识应用到我手头的现代PCB设计软件中时，会感到一种知识的“时差”。每当遇到一个概念，比如某个反馈机制的稳定裕度分析，我都需要额外打开搜索引擎，去查找现代元件如何影响这些经典理论的实际表现。如果这本书能增加一些现代半导体技术和EDA工具的章节，哪怕只是作为附录，相信它的实用价值会大大提升。

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翻阅这本书时，我最大的感受是它提供了一种“失重”的知识体验。它几乎完全聚焦于线性电路分析和基础的半导体器件行为，将重点放在了电压、电流、阻抗这些基本概念的数学表述上。对于开关电源、逻辑门电路的布尔代数化简，或者任何涉及时间域快速变化的现代电子系统，这本书的覆盖面都显得极其稀疏。我花了很长时间试图在其中找到关于ADC/DAC转换原理的详细介绍，但收获甚微，最多只在某个章节的脚注中被一笔带过。这使得这本书更像是一部完整的、关于经典模拟电子学基础的百科全书，而非一本面向当代电子系统工程师的实用手册。它的叙事线索非常清晰——从最基本的电荷运动到复杂反馈网络的稳定性分析，但这种“清晰”的代价是放弃了对现代电子工程中那些至关重要的、非线性和快速变化领域的探索。如果你想成为一名射频工程师或者嵌入式系统开发者，这本书可以作为你历史背景知识的补充，但它绝对无法成为你通往现代电子技术实践的桥梁。它需要被一本关于微处理器、FPGA或电源管理技术的书来“平衡”。

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我必须承认，作者在基础概念的阐述上是极其严谨的，这一点从书中对欧姆定律和基尔霍夫定律的引入方式就能看出来。他没有直接抛出这些定律，而是通过对特定材料和导体的微观粒子运动进行详细的建模推导，最终才引出这些宏观规律。这种“从根源追溯”的方法论，对于那些渴望彻底理解事物本质的人来说，无疑是一种福音。我清晰地记得，关于电容储能的解释部分，作者用了好几页的篇幅来描述电介质极化过程，而不是简单地给出一个 $E = frac{1}{2}CV^2$ 的公式了事。这种深度挖掘的写作风格，迫使读者必须慢下来，与每一个公式进行“对话”。然而，这种极致的深度也带来了效率上的牺牲。在学习振荡电路时，我期望能看到巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的性能对比，或者至少是关于有源晶体振荡器的设计流程，但书中关于振荡器的讨论，主要集中在RC振荡器和石英晶体谐振器的基本原理上，对于实际工程中至关重要的频率稳定性和抖动（Jitter）问题则鲜有提及。可以说，它教我如何“制造”一个振荡器，但没有告诉我如何让它“稳定地工作”在现代通信系统需要的精度上。

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