Principles of Quantum Computation and Information pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Benenti, Giuliano/ Casati, Giulio/ Strini, Giuliano

出品人:

页数:444

译者:

出版时间:2007-4

价格:$ 65.00

装帧:Pap

isbn号码:9789812565280

丛书系列:

图书标签:

• 量子计算
• 量子信息
• 量子力学
• 计算理论
• 信息论
• 算法
• 物理学
• 计算机科学
• 数学
• 密码学

量子计算与信息前沿：经典与前瞻的深度探索 图书名称：量子计算与信息前沿：经典与前瞻的深度探索 作者： [此处可填写虚构作者姓名] 出版社： [此处可填写虚构出版社名称] ISBN： [此处可填写虚构ISBN] --- 内容提要：超越传统计算范式的理论基石与工程实践 本书旨在为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的视角，用以理解和掌握量子计算与量子信息科学领域的核心概念、关键技术以及未来发展方向。它并非对现有标准教材的简单复述，而是立足于量子物理学的坚实基础，专注于探讨超越经典图灵机模型的新型信息处理范式所面临的理论挑战与工程机遇。 本书的结构设计旨在引导读者从基本物理原理出发，逐步构建起对量子比特（Qubit）复杂性的深刻理解，进而深入剖析量子算法的设计哲学、量子纠错的理论极限，以及面向实用化量子计算机的硬件实现路径。我们着重强调的是信息论的视角与物理实现的难度之间的张力与协同作用。 第一部分：量子信息学的基石与信息论重构 本部分首先回顾了量子力学在信息描述上的独特之处，并以此为出发点，重新审视信息科学的基石。 第一章：量子态空间与量子信息的描述 我们摒弃了对薛定谔方程的冗长介绍，而是直接聚焦于如何用密度矩阵和张量积来描述多体量子系统。重点探讨了可分离性（Separability）、纠缠度量（Entanglement Measures），特别是冯·诺依曼熵（Von Neumann Entropy）在量化信息缺失和关联性方面的作用。讨论了量子态的几何表征，例如Bloch球的高维推广，以直观理解量子态的几何性质如何影响计算能力。 第二章：量子信道与不可克隆定理的深刻影响 本章深入分析了量子信道（Quantum Channel）的数学结构，即使用超操作（Superoperator）和Choi矩阵来表征噪声和信号传输过程。核心内容围绕不可克隆定理（No-Cloning Theorem）展开，阐释其对经典信息论的颠覆性意义，以及它如何催生了量子密钥分发（QKD）的安全性基础。我们探讨了信道的保真度（Fidelity）以及如何通过量子过程层析（Quantum Process Tomography）来精确表征实际物理系统的退相干效应。 第三章：纠缠的物理学与信息学的交汇 纠缠被视为量子信息处理的“资源”。本章将纠缠提升到与能量、熵同等重要的地位。我们详细分析了不同类型的纠缠（如EPR对、GHZ态、W态），并探讨了纠缠交换（Entanglement Swapping）和超级态（Bell States）在构建分布式量子网络中的关键作用。更进一步，本章讨论了如何量化纠缠，例如使用纠缠见证者（Entanglement Witnesses）来识别实验中产生的混合态中的纯纠缠含量。 第二部分：量子计算的算法范式与复杂度理论 本部分聚焦于超越经典计算极限的算法设计原理，以及在计算复杂性理论框架下，量子计算的真正优势所在。 第四章：量子门的构建与线路模型 本章从物理操作层面审视量子计算的实现方式。我们不只是罗列通用的单比特和双比特门，而是深入探讨了通用量子门集（Universal Gate Sets）的最小化问题。重点分析了Toffoli门和CSD（Controlled-SWAP）门在经典到量子模拟中的关键性，并讨论了基于局域操作和经典通信（LOCC）的局限性。此外，我们将介绍如何利用量子电路图来清晰表达酉演化过程。 第五章：量子并行性与算法加速的理论基础 本章摒弃了对Shor算法和Grover算法的表面介绍，而是深入探究了量子算法加速背后的核心物理机制——量子傅里叶变换（QFT）和相位估计算法（Phase Estimation）。我们详细推导了QFT在指数级加速中的角色，并探讨了如何设计依赖于振幅放大（Amplitude Amplification）的非搜索类算法，例如在模拟电子结构中的应用。对于复杂性理论，我们明确区分了BQP（有界误差量子多项式时间）与P、NP的关系，强调量子计算的优势并非无限的。 第六章：量子模拟：从粒子物理到材料科学 量子模拟是量子计算最直接的应用领域。本章关注如何将复杂的物理哈密顿量映射到可操作的量子硬件上。我们将介绍Trotter-Suzuki分解在高阶演化模拟中的精度权衡，以及Variational Quantum Eigensolver (VQE) 等混合量子-经典算法在解决分子能级问题中的优势与瓶颈。讨论了解决“符号问题”（Sign Problem）的当前局限性，这是限制其在费米子系统精确模拟中的主要障碍。 第三部分：工程挑战与未来架构的展望 本部分关注如何将理论转化为可扩展、高保真度的物理系统，是连接理论物理与工程实现的桥梁。 第七章：量子纠错码的极限与容错计算 容错量子计算（FTQC）是实现大规模量子计算的必要条件。本章集中探讨了表面码（Surface Codes）、Steane码等拓扑量子纠错码的结构与性能。我们详细分析了错误阈值（Error Threshold）的概念，以及如何通过增加冗余比特来应对实际硬件中的退相干和错误率。重点阐述了逻辑量子比特（Logical Qubit）的编码与解码过程，以及“小马过河”（The Cat-and-Mouse Game）——即错误检测与修复之间的时序依赖性。 第八章：硬件平台的技术路线图与权衡分析 本书并未偏爱任何单一硬件技术，而是对当前主流平台进行批判性分析。我们将深入比较超导电路（Transmon）的快速门操作与可扩展性的挑战，离子阱（Trapped Ions）的高保真度和低连接度的限制，中性原子阵列的并行操作潜力，以及拓扑量子比特在抵抗局部噪声方面的理论优势。讨论的重点是“量子体积”（Quantum Volume）等综合性能指标，而非单一的相干时间或门保真度数字。 第九章：从 NISQ 到 FTQC 的过渡策略 当前处于噪声中等规模量子（NISQ）时代。本章探讨了在缺乏完善容错能力的现状下，如何榨取最大计算价值。我们将审视误差缓解（Error Mitigation）技术，例如零噪声外推（Zero-Noise Extrapolation），作为在FTQC实现前的一种必要过渡手段。此外，讨论了构建具备有效逻辑门操作能力的中间规模系统的路线图，以及系统集成、微波控制、低温工程等跨学科挑战。 --- 本书特点： 理论深度与工程广度并重： 侧重于量子信息论的数学结构，而非简单的物理现象罗列。 批判性分析： 对现有算法和硬件方案的优势与局限性进行了深入探讨，避免不切实际的乐观预期。 面向前沿： 覆盖了最新的纠错进展、混合算法优化以及新型硬件架构的最新研究成果。 本书适合物理学、计算机科学、电子工程等领域的高年级本科生、研究生，以及致力于投身于量子信息技术研发的专业工程师和研究人员。阅读本书需要具备扎实的线性代数基础和初步的量子力学概念。

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