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出版者:陕西西安电子科技大学

作者:杜庆波

出品人:

页数:244

译者:

出版时间:2008-2

价格:23.00元

装帧:

isbn号码:9787560619651

丛书系列:

图书标签:

• 光纤通信
• 光纤技术
• 通信工程
• 光纤设备
• 信息技术
• 网络工程
• 光电子技术
• 通信系统
• 光纤测量
• 光纤应用

《量子计算与信息科学前沿》 图书简介 本卷深入探讨了量子计算领域最前沿的理论突破、技术实现以及广阔的应用前景，旨在为物理学家、计算机科学家、工程师以及对下一代信息技术充满热忱的研究人员提供一份全面而深入的指南。本书摒弃了传统计算模型的局限性，聚焦于如何利用量子力学的奇特性质——叠加态和量子纠缠——来解决经典计算机望尘莫及的复杂问题。 第一部分：量子力学的数学基础与信息论 本部分首先回顾了量子力学建立其信息理论框架所需的严格数学基础。我们详细阐述了希尔伯特空间、算符理论在量子态描述中的应用，并重点解析了狄拉克符号（Bra-ket Notation）的系统使用方法，确保读者能熟练掌握描述量子系统演化的语言。 随后，我们进入量子信息论的核心。本书对量子比特（Qubit）的表示进行了深入的探讨，并着重分析了单比特和多比特系统的张量积结构。关键概念如量子叠加的物理意义及其在并行计算中的潜力被细致剖析。更重要的是，我们对量子纠缠进行了详尽的论述，不仅从数学上定义了可分态与纠缠态的区别（如利用对偏分迹或定性地通过“鬼魅般的超距作用”的视角），还探讨了纠缠熵（Entanglement Entropy）作为系统复杂度和信息量化指标的重要性。对于量子测量理论，本书区分了投影测量、弱测量以及关联测量，并解释了测量对量子态波函数的塌缩机制，这是理解量子算法实际运行的关键。 第二部分：量子计算模型与核心算法 本部分是本书的技术核心，系统地介绍了当前主流的量子计算模型及其代表性算法。 2.1 量子电路模型（Quantum Circuit Model）： 我们首先聚焦于最通用且最容易工程实现的量子电路模型。书中详尽列举了常用的基本量子逻辑门（如Hadamard, Pauli门族, 相位门S/T门），并重点分析了构建通用量子计算能力所需的关键门——受控非门（CNOT）及其在纠缠态制备中的作用。书中包含大量电路图示例，展示了如何利用这些基本门组合实现复杂的量子逻辑操作，例如量子加法器和量子傅里叶变换（QFT）。 2.2 核心量子算法剖析： 本章对奠定现代量子计算基础的几个里程碑式算法进行了深入的数学推导和复杂度分析。 Shor算法： 详细阐述了其分解大数问题的核心思想，特别是量子相位估计算（QPE）如何有效地从周期函数中提取周期信息，从而颠覆了公钥密码学。 Grover搜索算法： 解释了振幅放大技术（Amplitude Amplification）的几何直观理解，对比了其平方级的加速优势与经典搜索方法的区别。 量子模拟算法： 探讨了如何利用量子计算机模拟其他量子系统（如分子结构、材料性质），这被视为量子计算最直接的应用前景之一。我们讨论了Trotter-Suzuki分解法在模拟哈密顿量时间演化中的应用细节。 2.3 变分量子算法（VQA）： 鉴于当前噪声中等规模量子（NISQ）设备的局限性，本书投入大量篇幅讨论了混合量子-经典算法。我们详细介绍了变分量子本征求解器（VQE）在寻找基态能量问题中的结构，包括Ansatz的构建、能量期望值的计算，以及经典优化器（如梯度下降、ADAM）的反馈机制。这部分内容强调了在现有硬件约束下，如何最大化计算资源的有效利用。 第三部分：物理实现技术与硬件挑战 量子计算的实现依赖于对量子态的精确控制和隔离。本部分系统性地考察了当前处于研发前沿的几大主流物理平台。 3.1 超导电路量子比特： 深入分析了基于约瑟夫森结的Transmon和Flux Qubit的设计原理、微波脉冲控制技术以及其在扩展性上面临的“串扰”和“退相干”问题。我们讨论了三维集成和芯片级封装技术如何尝试解决I/O端口密集化的挑战。 3.2 离子阱量子计算： 重点讲解了如何利用电磁场捕获单个离子，并以离子的内部能级作为量子比特。本书强调了激光冷却和精密激光脉冲（如Rabi振荡）在单比特和多比特门操作中的核心作用，以及Mølmer-Sørensen门在实现高保真度纠缠态方面的优势。 3.3 其他新兴平台： 书中还简要评述了拓扑量子计算（基于Anyons的非阿贝尔统计特性，旨在天然抵抗局部扰动）、中性原子阵列（利用光镊实现可重构的晶格结构）以及半导体量子点中电子自旋的应用。每种技术都配有对其固有优势（如退相干时间长短、门操作速度）和工程难点的对比分析。 第四部分：量子误差控制与容错计算 量子态的脆弱性要求必须引入复杂的错误纠正机制。本部分专注于如何将易出错的物理量子比特提升为可靠的逻辑量子比特。 我们详细阐述了量子误差的三个维度：位翻转（Bit Flip）、相位翻转（Phase Flip）以及两者的混合错误。本书对表面码（Surface Code）的设计原理、校验子（Syndrome Measurement）的提取方式进行了详尽的几何和代数描述，指出它是当前最被看好的容错架构之一。此外，我们也介绍了Shor码、Steane码等经典编码方案，并探讨了逻辑门的制备与错误传播的理论模型。理解阈值定理（Threshold Theorem）对于评估实际容错系统的可行性至关重要。 第五部分：量子计算的应用前沿与未来展望 本书最后展望了量子计算在更广泛科学领域中的变革潜力。 5.1 量子机器学习（QML）： 探讨了如何设计量子神经网络，利用量子内核（Quantum Kernel）在高维特征空间中进行映射，可能在模式识别和分类任务中提供优势。 5.2 量子化学与材料科学： 重点讨论了计算分子能量和反应路径的精确性潜力，这对于新药研发和催化剂设计具有革命性意义。 5.3 量子密码学的安全性分析： 在讨论量子计算能力的同时，本书也审视了其对现有公钥基础设施的威胁（如RSA和ECC），并对后量子密码学（PQC）的最新进展，特别是基于格（Lattice-based）和基于哈希（Hash-based）的加密方案进行了介绍，为信息安全领域提供了应对量子时代的战略参考。 本书内容结构严谨，逻辑清晰，理论与实践并重，是致力于推动和理解下一代信息技术革命的必备参考书。

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