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出版者:北京交通大学出版社

作者:吴学毅

出品人:

页数:279

译者:

出版时间:2005-5

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787810825023

丛书系列:

图书标签:

• 计算机导论
• 程序设计
• 入门
• 基础
• 算法
• 数据结构
• 编程
• C语言
• Python
• 计算机科学

好的，这是一份关于《量子计算与信息科学前沿》的图书简介，完全不涉及《计算机导论与程序设计》的内容，力求详实且自然流畅。 --- 量子计算与信息科学前沿：理论基石、实现路径与未来展望 图书简介 《量子计算与信息科学前沿》 是一部面向高年级本科生、研究生以及专业研究人员的深度学术专著，旨在全面梳理和系统阐述量子信息科学领域自诞生以来的核心理论框架、关键技术突破以及未来可能的发展方向。本书不仅关注纯理论的数学严谨性，更深入探讨了实验物理学在实现通用量子计算和新型量子通信中所面临的工程挑战与创新解决方案。 全书结构清晰，逻辑严密，力求在严谨的物理学和数学基础上，为读者构建一个理解量子世界计算潜能的完整知识体系。 --- 第一部分：量子力学基础与信息论重构 (The Quantum Foundation) 本部分是理解后续所有量子计算思想的基石。它并未假设读者对量子力学有深厚的背景，而是从信息论的视角出发，重新审视经典物理学的局限性，并引入必要的量子力学概念。 第一章：从经典信息到量子比特 (Qubit) 本章首先回顾香农信息论的经典极限，如信道容量、熵的概念。随后，引入量子力学中的基本公设，着重讲解狄拉克符号（Bra-Ket Notation）的精确用法。核心在于量子比特（Qubit）的概念：它不仅仅是0或1，而是处于叠加态的数学描述 $alpha|0 angle + eta|1 angle$。我们详细分析了复数概率幅在信息编码中的关键作用，并介绍了表示量子态的几何模型——布洛赫球（Bloch Sphere），强调了其对单比特操作的直观几何解释。 第二章：量子态的演化与酉变换 量子系统的演化必须是幺正（Unitary）的，这是保证信息守恒和时间可逆性的核心要求。本章深入探讨了酉矩阵（Unitary Matrix）在量子操作中的地位。我们细致分析了单量子比特的旋转操作（如Pauli矩阵 $X, Y, Z$）及其组合，并拓展至多量子比特系统的张量积空间。特别地，本章会详细讲解量子门（Quantum Gate）的定义，包括如何通过基本门（如Hadamard门、相位门）构建任意酉变换，为理解量子算法的实现奠定基础。 第三章：纠缠的本质与度量 (Entanglement) 纠缠是区分量子信息与经典信息的最核心特征。本章从数学上定义可分离态（Separable States）与纠缠态（Entangled States）。我们将重点分析贝尔态（Bell States），并讨论如何利用这些最大纠缠态作为资源。关于纠缠的度量，本书将对比介绍纠缠熵（Entanglement Entropy）、纠缠度（Entanglement Measures）等概念，并探讨纠缠如何在量子隐形传态和量子加密中发挥作用。 --- 第二部分：量子计算的核心算法与模型 (The Algorithmic Power) 本部分聚焦于量子计算模型如何利用叠加和纠缠来加速或解决经典计算无法有效处理的问题。 第四章：量子电路模型与可并行性 本书采用最主流的量子电路模型作为主要讨论框架。我们将对比Shor, Deutsch, Furstenberg等提出的早期模型，最终确定基于通用量子门的电路模型。本章详细讲解了量子傅里叶变换（QFT）的结构和计算效率，它是许多高效算法的核心组成部分。此外，还将分析量子电路的深度、宽度和门数量的优化策略，以及如何将经典逻辑门转化为量子等效门。 第五章：颠覆性的量子算法 本章深入剖析了两个里程碑式的量子算法： 1. Shor的因子分解算法： 详细拆解其核心思想——利用周期查找算法（Period Finding Algorithm），并结合QFT实现对大数因子分解的指数级加速。本节会探讨其对现代公钥密码体系的颠覆性意义。 2. Grover的搜索算法： 聚焦于其平方根加速的来源。我们将介绍Grover迭代算子的几何意义（在布洛赫球上的旋转），并分析其适用于非结构化搜索问题的普遍性。 第六章：变分量子算法与NISQ时代 (Noisy Intermediate-Scale Quantum) 随着实验设备的局限性，本部分转向当前最活跃的研究领域——含噪声中等规模量子计算。我们将详细介绍变分量子本征求解器（VQE）和量子近似优化算法（QAOA）。本书会着重分析这些混合量子-经典算法的结构（Ansatz设计、参数优化循环），并讨论它们在模拟分子结构和解决组合优化问题中的应用前景与局限性。 --- 第三部分：量子信息处理的物理实现与挑战 (Implementation and Challenges) 理论的价值必须通过物理实现来验证。本部分将从工程和物理实验的角度，探讨当前主流的量子比特技术路线。 第七章：超导电路量子计算平台 超导量子比特（如Transmon）是当前技术竞争中的领跑者之一。本章将深入探讨其物理基础——约瑟夫森结的非线性特性。内容涵盖：量子比特的制备、微波脉冲的精确控制（用于实现高保真度的单门和双门操作）、以及串扰（Crosstalk）和退相干（Decoherence）问题的物理来源与抑制策略。 第八章：离子阱与中性原子系统 离子阱系统以其极高的相干时间和全连通性著称。本章详细介绍利用激光冷却和囚禁技术来控制单个离子的方法。我们将阐述Mølmer-Sørensen门如何高效实现离子间的纠缠，并对比其在门保真度和扩展性方面的优缺点。同时，对新兴的中性原子阵列，特别是利用里德堡态（Rydberg States）实现强相互作用的机制也将进行介绍。 第九章：量子纠错码：容错的希望 实现通用、大规模的量子计算，量子纠错（Quantum Error Correction, QEC）是不可或缺的一环。本章系统介绍QEC的基本原理，区分错误模型的类型（比特翻转与相位翻转）。我们将重点分析表面码（Surface Code）的拓扑结构和解码过程，讨论如何通过物理比特的冗余编码来保护逻辑量子比特，这是通往容错量子计算（FTQC）的关键桥梁。 --- 第四部分：量子通信、测量与未来趋势 (Frontiers) 最后一部分将目光投向量子信息科学的交叉领域和未来研究方向。 第十章：量子密钥分发与安全（QKD） 详细分析基于BB84协议的量子密钥分发原理，并结合其物理实现（如光纤或自由空间）。本章将区分信息论安全的QKD与依赖于计算复杂性假设的传统公钥密码，探讨后量子密码学（PQC）作为补充策略的必要性。 第十一章：量子模拟与计算的边界 量子模拟是NISQ设备最直接的应用场景。本书将探讨如何利用可控的量子系统来模拟难以计算的复杂物理系统（如高温超导、材料科学中的多体问题）。此外，还将讨论量子机器学习（QML）中特征嵌入空间的概念，以及量子计算在计算复杂性理论中对P、NP等复杂性类划分的潜在影响。 --- 适用读者： 物理学、计算机科学、电子工程、应用数学专业的高年级本科生和研究生；从事量子技术研发的工程师和科研人员。 预期收获： 读者将不仅掌握量子计算的数学工具和核心算法，更能理解当前实验物理学面临的重大挑战，从而能够站在前沿参与到下一代信息技术的构建之中。

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关于**图形学和渲染管线**的描述，这本书的处理方式简直就是艺术家的福音和工程师的指南针。它没有采用那种枯燥的数学公式堆砌，而是非常直观地引导读者理解**光栅化（Rasterization）**的每一步操作。从几何数据的准备，到MVP（Model-View-Projection）变换的意义，再到**裁剪（Clipping）**是如何高效地丢弃屏幕外多边形的，每一步都配有精妙的流程图和伪代码示例。我特别喜欢作者对**Z缓冲（Depth Buffer）**机制的讲解，它用非常生动的语言描述了深度测试如何解决了三维空间中物体遮挡的难题，而且还探讨了Z值精度对远景渲染可能造成的影响。此外，书中对**纹理映射**的抗锯齿处理，比如MIP贴图的原理和优化，也做了深入浅出的介绍。对于那些想要理解现代游戏引擎或可视化工具底层是如何将数学模型转化为屏幕上像素色彩的读者来说，这一章是无价之宝。它提供的不仅是知识，更是一种自上而下、逐步细化的视觉构建哲学。

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关于**数据库管理系统（DBMS）的内部结构**的阐述，这本书简直就是一本高级参考手册被塞进了入门读物里。我原本以为它会简单介绍SQL的基本语法，但事实远非如此。它花了大量的篇幅去讲解**事务的ACID特性**是如何在复杂的并发控制机制下得到保证的。尤其是对锁的粒度、两阶段锁定协议（2PL）的深度挖掘，以及如何处理死锁的检测与预防，这些内容通常只会在研究生级别的课程中才会详细展开。最让我震撼的是关于**查询优化器**的部分，作者不仅解释了B树和B+树作为索引结构的作用，还深入到代价模型（Cost Model）的构建逻辑，以及如何通过启发式规则和成本评估来生成最优执行计划。这部分内容对我构建高性能的后端服务至关重要，因为它让我明白了为什么有时看似简单的SQL语句，在不同的数据分布下性能会天差地别。阅读这些章节，我仿佛进入了一个虚拟的数据库内核，亲手触摸到了那些管理着海量数据稳定性的精妙算法，这种对“幕后英雄”的揭秘，极大地提升了我对数据持久化技术的敬畏感。

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这本书对**人工智能（AI）与机器学习**领域的涉猎，特别是关于**经典符号逻辑推理**的探讨，达到了令人难以置信的细致程度。它并没有止步于介绍近年来大火的深度学习模型，反而非常扎实地回顾了AI的源头——基于规则和逻辑的知识表示方法。书中详细剖析了**一阶谓词逻辑**的语法和语义，并用了好几页篇幅来推导和解释**归结原理（Resolution Principle）**如何实现自动定理证明。这种对基础逻辑推理能力的强调，让我意识到，在面对那些需要高度可解释性或强约束条件的决策问题时，符号AI的价值依然不可替代。更令人印象深刻的是，作者将这些逻辑推理过程与现代的**知识图谱（Knowledge Graph）**构建联系起来，展示了如何使用概率逻辑来处理不确定性。这种跨越时空的知识串联，让整个AI的发展脉络清晰可见，而不是零散地堆砌各种新潮术语。读完这部分，我感觉自己对“智能”这个概念的理解，从表面的模型应用，深入到了更底层的知识组织与推理能力层面。

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这本书的深度和广度简直让人惊叹，尤其是在讲述**网络通信协议**的那些章节，作者似乎毫不保留地倾囊相授。我记得有一部分专门深入剖析了TCP/IP协议栈的各个层次是如何协同工作的，那种对细节的把握令人叹服。它不像很多入门书籍那样点到为止，而是真的花了大量篇幅去解释“为什么”是这样设计的，而不是仅仅告诉你“它就是这样”。举个例子，关于三次握手和四次挥手的图解，配上详尽的解释，即使是初次接触网络编程的人，也能构建起一个非常扎实的底层概念框架。接着，书中对**路由选择算法**的介绍，从经典的距离向量到后来的链路状态，每一种算法的优劣势、收敛性分析，都写得逻辑清晰，仿佛身临其境地参与了一场复杂的网络规划会议。我尤其欣赏作者在讲解这些复杂技术时，总能找到恰当的比喻，将抽象的理论具象化。读完这些内容，我感觉自己对互联网这个庞大系统的运作机制，已经有了远超教科书级别的理解，这对于未来进行任何与数据交换相关的开发工作，都将是无价的财富。这本书绝对是理论与实践结合的典范，尤其在构建宏大系统思维方面，提供了绝佳的视角。

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我对本书在**操作系统（OS）内核设计**部分的叙述给予最高的评价，因为它真正触及到了现代并发编程的痛点。书中对**进程与线程的调度策略**的分析，远超普通教材对FCFS或Round Robin的简单介绍。它深入探讨了实时操作系统（RTOS）中的优先级继承协议（PIP）和优先级天花板协议（PCP），这些是解决复杂多任务系统中**优先级反转**问题的关键技术，对于开发嵌入式系统或高性能服务器应用至关重要。作者在解释**内存虚拟化**时，详细描绘了MMU（内存管理单元）如何配合页表（Page Table）实现地址转换，并且还引入了TLB（转换后援缓冲器）来加速这个过程，甚至讨论了多级页表的内存开销权衡。阅读这些关于并发和内存抽象的内容时，我仿佛能听到CPU内部指令流的高速运转声，理解了为什么在多核环境下编写高效且无死锁的代码是如此具有挑战性。这本书成功地将这些底层机制的复杂性，转化为清晰可控的工程概念，为我们构建健壮的软件系统打下了坚实的基础。

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