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出版者:北京理工大学出版社

作者:谢君堂

出品人:

页数:293

译者:

出版时间:2006-2

价格:29.80元

装帧:简裝本

isbn号码:9787564004897

丛书系列:国防科工委“十五”规划教材

图书标签:

• 微电子技术
• 电子技术
• 应用基础
• 电路分析
• 模拟电路
• 数字电路
• 半导体
• 电子工程
• 实践教学
• 入门教材

《量子计算：下一代信息革命》 内容简介 本书深入探讨了量子计算这一颠覆性技术的核心原理、发展现状与未来前景，旨在为读者勾勒出一幅清晰的量子计算图景，揭示其如何重塑科学研究、信息安全、药物发现以及人工智能等诸多领域。 第一部分：量子计算的理论基石 本部分将首先介绍量子力学中的基本概念，如叠加态（Superposition）和量子纠缠（Entanglement）。我们将详细阐述这些看似反直觉的量子现象如何在计算中被加以利用，例如，通过叠加态，量子比特（qubit）可以同时表示0和1，极大地扩展了信息存储和处理的维度。量子纠缠则允许量子比特之间建立起一种奇特的关联，无论相距多远，一个量子比特的状态变化会瞬间影响到另一个，这种关联是实现复杂量子算法的关键。 在此基础上，本书将深入剖析量子比特的数学模型，包括其几何表示（布洛赫球面）以及操作量子比特的量子门（Quantum Gates）——这是量子计算的基本逻辑单元，类似于经典计算机的逻辑门。我们将介绍各种重要的量子门，如Hadamard门、CNOT门、Pauli门等，并解释它们如何实现量子比特的状态转换和联合操作，为构建量子线路奠定基础。 第二部分：核心量子算法与应用场景 量子计算的强大之处体现在其能够高效解决某些经典计算机难以企及的问题。本部分将重点介绍几类具有代表性的量子算法。首先是Shor算法，它能够以指数级的速度分解大数，这对当前广泛使用的公钥加密体系构成了潜在威胁，也因此推动了后量子密码学（Post-Quantum Cryptography）的研究。其次是Grover算法，它能够以平方根的复杂度加速无序数据库的搜索，在优化问题和机器学习等领域具有广阔的应用潜力。 此外，本书还将介绍量子近似优化算法（QAOA）和变分量子本征求解器（VQE）等近期热门的混合量子-经典算法，它们通过结合量子计算的并行性和经典计算的优化能力，有望在量子化学模拟、材料科学以及金融建模等领域取得突破。我们将详细讲解这些算法的原理，并通过具体的案例分析，展示它们在解决实际问题上的优势。 第三部分：量子硬件的实现与挑战 要实现强大的量子计算能力，依赖于各种物理体系来构建和操控量子比特。本部分将对当前主流的量子硬件实现方案进行梳理和介绍，包括： 超导量子比特： 利用约瑟夫森结等超导元器件实现量子比特，这是目前发展最快、最受关注的技术路径之一，许多领先的量子计算公司都采用了此方案。我们将探讨其工作原理、控制方式以及面临的挑战，如相干时间的限制和错误率的控制。 离子阱量子比特： 通过电磁场囚禁离子，并利用激光操控其内部能级作为量子比特。离子阱方案在相干时间和保真度方面表现出色，但扩展性面临一定困难。 中性原子量子比特： 利用激光冷却和囚禁中性原子，并通过里德堡态等实现量子比特的相互作用。这种方案在可扩展性方面显示出巨大潜力。 拓扑量子比特： 这是一种理论上对环境噪声具有较高容忍度的量子比特，尽管实现难度极大，但其潜在的优势使其成为研究的热点。 本书还将深入分析实现通用量子计算机所面临的关键挑战，包括：量子比特的退相干（Decoherence）问题、高保真度的量子门操作、量子纠错（Quantum Error Correction）的复杂性以及量子计算机的规模化部署等。理解这些挑战是评估量子计算发展阶段和未来走向的重要依据。 第四部分：量子软件、编译与生态系统 随着量子硬件的不断进步，量子软件的开发也变得日益重要。本部分将介绍量子编程模型、量子开发工具包（SDK）和量子编程语言。我们将探讨如何将高层级的算法转化为量子计算机可执行的量子线路，以及量子编译器在优化量子线路、调度量子门操作等方面的作用。 同时，本书还将关注量子计算的软件生态系统，包括各种量子计算平台、云服务以及量子应用程序的开发方向。我们将分析目前已有的量子软件库和框架，并展望未来量子软件的发展趋势，如量子机器学习库、量子优化 solvers 等。 第五部分：量子计算的未来展望与社会影响 量子计算并非仅仅是计算机科学领域的一项技术革新，它将深刻影响社会发展的方方面面。本书的最后部分将着眼于量子计算的未来发展趋势，包括向容错量子计算（Fault-Tolerant Quantum Computing）迈进的路线图，以及可能出现突破性进展的研究方向。 此外，我们将深入探讨量子计算可能带来的社会影响，包括： 科学发现的加速： 在材料科学、化学、物理学等领域，量子计算机有望模拟复杂分子和材料的性质，加速新药研发和新材料的设计。 人工智能的飞跃： 量子机器学习有望在模式识别、数据分析和优化等方面带来前所未有的能力。 信息安全的重塑： 一方面，量子计算威胁现有加密体系；另一方面，量子通信（Quantum Communication）和量子密钥分发（Quantum Key Distribution）将提供更安全的通信方式。 经济与产业变革： 量子计算将催生新的产业，并可能重塑现有产业格局。 本书力求以严谨而不失生动的语言，为对量子计算感兴趣的读者提供一个全面、深入的学习平台，帮助大家理解这一前沿科技的核心价值，并预见其在不远的将来可能带来的深刻变革。

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我尝试着从一个更注重实践操作的角度来审视这本书的价值。坦白说，很多理论书籍读起来总是让人感觉“纸上谈兵”，但这本书似乎在这方面下了大功夫去弥补。它不仅仅停留在“是什么”和“为什么”，更深入地探讨了“如何做”。书中对一些关键工艺流程的描述，细节详尽到令人咋舌，比如光刻、刻蚀、薄膜沉积这些核心步骤，作者用近乎手记的口吻，把不同工艺窗口下的参数选择、潜在的缺陷类型以及对应的优化策略都罗列了出来，这对于正在进行项目验证或者实验室搭建的人来说，简直就是一份实用的操作手册。我尤其注意到，它对不同代工厂的工艺兼容性问题也做了探讨，这显示出作者对行业现状有着非常深刻的洞察力。如果能配上相应的软件仿真流程讲解，那这本书的实践指导价值会更上一层楼，但即便如此，它现有的内容也足以成为我工作台边常备的参考书，遇到工艺瓶颈时，翻阅几页总能找到新的思路。

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这本书的出版质量和内容的更新速度，反映了出版社对这个快速发展领域的重视程度。我注意到书中引用的许多前沿研究成果和最新的工艺节点数据，这在很多经典的参考书中是看不到的，那些书籍往往滞后于行业发展数年。这种与时俱进的特点，使得本书具有很高的时效价值。比如，对于当前热议的FinFET结构和GAA（Gate-All-Around）技术的介绍，作者不仅描述了它们的基本结构，还清晰地分析了它们相对于传统平面CMOS在静电控制和短沟道效应抑制方面的革命性进步。这种对未来趋势的把握，让这本书不仅仅是一份知识回顾，更像是一份行业展望报告。对于身处行业中需要紧跟技术迭代的中层技术人员来说，阅读本书无疑是确保自己认知不落伍的最有效途径之一。它以扎实的理论为基座，搭建起了通往未来芯片设计高地的阶梯。

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从一个课程教学的角度来看，这本书的结构设计非常具有启发性，它似乎完全是按照一个优秀的教师的思维来编排的。每一章的开头都有明确的学习目标导引，结尾处设置了富有启发性的思考题，这些问题往往不只是简单的知识点回顾，而是引导学生进行批判性思维和设计权衡的练习。例如，在讨论功耗优化时，它会引导读者对比不同晶体管结构在速度和漏电之间的取舍，这种“权衡艺术”的教学方法，是培养工程师思维的关键。此外，书中对专业术语的引入也控制得非常得当，新概念的出现总是伴随着前置知识的铺垫，避免了初学者因为大量专业词汇的冲击而望而却步。如果我是一名指导老师，我非常乐意将这本书推荐给我的学生作为主教材，因为它不仅传授知识，更重要的是，它在教授如何“成为一个思考问题的工程师”。

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这本书在理论深度上的挖掘，让我对整个领域的宏观脉络有了全新的认识。它不仅仅罗列了分散的知识点，而是构建了一个完整的知识体系框架。作者在开篇就为我们勾勒出了半导体器件发展史的演进轨迹，这种历史观的引入，使得后续对MOSFET、BJT等基础器件的分析，都有了历史的厚重感和必然性。更让人印象深刻的是，它对器件物理特性的分析，深入到了能级理论和费米-狄拉克分布的层面，并且成功地将这些高深的物理学概念，转化为对器件性能（如阈值电压、跨导等）的直观理解。这种从底层物理到上层应用之间的完美过渡，是很多教材难以企及的高度。阅读过程中，我感觉自己不再是孤立地记忆公式，而是真正理解了电子如何在半导体材料中“流动”和“被控制”，这对于未来从事更前沿的器件结构设计工作，无疑是至关重要的基石。

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这本书的装帧和排版设计确实让人眼前一亮，拿到手的时候就被它那种沉稳又不失现代感的气质吸引了。内页的纸张质感非常棒，阅读起来眼睛很舒服，即使长时间盯着看也不会觉得干涩疲劳。内容上，作者的叙述逻辑清晰流畅，大量的图表和示意图穿插得恰到好处，极大地降低了理解复杂概念的门槛。我特别欣赏作者在处理一些经典理论时，没有停留在教科书式的陈述，而是引入了大量的实际工程案例作为支撑，这让抽象的原理立刻变得生动起来，仿佛能触摸到实际的工作场景。比如，关于半导体材料的晶体结构介绍，通过高清的透射电镜图谱和三维模型动态展示，让我这个初学者也能迅速把握其微观世界的精妙。而且，书中的术语解释非常详尽，即便是跨学科背景的读者也能迅速跟上节奏，这一点在很多专业书籍中是很难得的。整个阅读过程，与其说是学习，不如说是一种探索，作者巧妙地引导着我们一步步深入这个迷人的微观领域，让人忍不住想一口气读完。

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