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出版者:

作者:杨国光,等

出品人:

页数:414

译者:

出版时间:2008-3

价格:68.00元

装帧:

isbn号码:9787308058339

丛书系列:

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• 研究生教材
• 微光学
• 光学系统
• 微型光学
• 光学设计
• 成像系统
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• 精密光学
• 微纳光学
• 集成光学
• 光学工程

《量子纠缠与信息安全》 内容简介： 本书深入探讨了量子纠缠这一奇特的物理现象，并着重阐述了其在现代信息安全领域的革命性应用。我们从量子力学最基本、最深刻的原理出发，逐步引导读者理解量子纠缠的本质，以及为何它能够成为构建下一代安全通信和计算系统的基石。 第一部分：量子纠缠的理论基石 我们首先将为您详细介绍量子力学的核心概念，包括波粒二象性、叠加态和量子态的表示。在此基础上，我们将聚焦于量子纠缠的诞生。量子纠缠并非简单的“心灵感应”或“超光速通信”，而是指两个或多个粒子之间存在一种特殊的关联，无论它们相距多远，其中一个粒子的状态改变会瞬间影响到其他粒子。我们将通过赫尔曼·克劳泽（John Clauser）、阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）和安东·蔡林格（Anton Zeilinger）等先驱者的实验，以及贝尔不等式的验证，来揭示这种非局域关联的深刻含义，并解释它如何挑战了我们对现实世界的经典直觉。 我们将详细解析不同类型的量子纠缠，例如贝尔态（Bell states）的构成和性质，以及多粒子纠缠（multipartite entanglement）的复杂性。理解这些理论框架，是理解量子信息技术应用的前提。本书将避免使用过于晦涩的数学推导，而是通过清晰的物理图像和类比，帮助读者建立直观的理解。我们还将探讨纠缠的度量和表征方法，以及在实际实验中产生和操纵纠缠的技术挑战。 第二部分：量子纠缠在信息安全中的应用 量子纠缠最令人兴奋的应用之一便是其在信息安全领域的潜力。传统的信息加密算法，如RSA，其安全性依赖于大数分解的计算难度。然而，随着量子计算机的发展，这些算法的安全性将受到严重威胁。本书将重点介绍基于量子纠缠的量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）技术。 我们将详细阐述BB84协议、E91协议等经典的QKD协议。E91协议尤其巧妙地利用了量子纠缠的非局域性来保证密钥的安全。当发送方和接收方通过共享的纠缠粒子对来生成密钥时，任何试图窃听的行为都会不可避免地干扰纠缠态，从而被双方察觉。本书将深入分析QKD的安全原理，解释为何这种方法能够提供“信息论安全”（information-theoretic security），即其安全性不依赖于任何计算假设，而是源于量子力学的基本定律。 除了QKD，我们还将探讨量子纠缠在其他信息安全领域的应用，例如量子安全多方计算（Quantum Secure Multi-Party Computation, QSMPC）。QSMPC允许多个参与者在不泄露各自隐私数据的前提下，共同进行计算。量子纠缠的应用可以增强QSMPC的安全性，使其能够抵御更高级别的攻击。 此外，本书还将涉及量子安全哈希函数（Quantum-Resistant Cryptographic Hash Functions）和后量子密码学（Post-Quantum Cryptography）。虽然这些不直接依赖于纠缠，但它们是应对量子计算威胁的重要组成部分，我们将在量子安全的大背景下进行介绍，以提供更全面的视角。我们还将讨论量子纠缠在量子水印（Quantum Watermarking）和量子认证（Quantum Authentication）等领域的潜在作用。 第三部分：实现与挑战 理论的构建离不开实践的支撑。本书的第三部分将审视当前实现量子纠缠及其应用的技术现状。我们将介绍目前主流的量子纠缠产生和传输技术，包括使用纠缠光子对（entangled photon pairs）、囚禁离子（trapped ions）、超导电路（superconducting circuits）以及金刚石NV色心（diamond NV centers）等平台。 您将了解到如何在实验室环境中产生高品质的纠缠态，以及如何通过光纤或自由空间将纠缠信号传输到远距离。我们还将探讨量子存储器（quantum memories）和量子中继器（quantum repeaters）等关键技术，它们是实现大规模量子网络和远距离量子通信的基石。 然而，量子纠缠的实际应用并非一帆风顺。本书也将坦诚地分析当前面临的技术挑战，例如： 纠缠态的退相干（decoherence）： 纠缠态对环境噪声非常敏感，容易丢失其量子特性。 纠缠的产生效率和保真度（fidelity）： 高效率、高保真度的纠缠态产生是实现可靠量子通信的关键。 传输损耗： 在长距离传输中，量子信号会发生衰减，限制了量子通信的距离。 器件的集成和可扩展性（scalability）： 将量子器件集成到现有基础设施中，并实现大规模部署，仍是巨大的工程挑战。 安全性验证的复杂性： 即使是理论上安全的协议，在实际实现中也可能存在漏洞，需要精密的安全性分析和验证。 我们将讨论这些挑战的最新研究进展，以及科研人员正在探索的各种解决方案，例如纠错码（error-correcting codes）的应用。 第四部分：未来展望 量子纠缠不仅是信息安全的守护者，也是开启全新计算范式的钥匙。本书的最后部分将展望量子纠缠在量子计算领域的宏伟蓝图。我们将简要介绍量子比特（qubits）的概念，以及如何利用纠缠和叠加态实现比经典计算机指数级强大的计算能力。 您将了解到量子纠缠在量子算法（quantum algorithms），如Shor算法（用于大数分解）和Grover算法（用于搜索）中的核心作用。这些算法的实现，将对密码学、材料科学、药物研发、金融建模等众多领域产生颠覆性影响。 本书还将探讨量子互联网（quantum internet）的愿景，一个能够连接全球量子计算机和量子传感器的网络，它将开启前所未有的分布式量子计算和超精确测量能力。 目标读者： 本书面向对量子力学、信息安全以及前沿科技有浓厚兴趣的读者。我们设想读者可能包括： 计算机科学和信息安全专业的学生和研究人员： 了解量子计算和量子信息安全是未来发展的必然趋势。 物理学专业的学生和研究人员： 对量子纠缠的深入探讨以及其实际应用有更专业的认识。 对前沿技术充满好奇的工程师、技术爱好者和决策者： 能够把握量子技术带来的机遇和挑战。 密码学专家： 了解量子计算对现有加密体系的威胁，并探索量子安全的替代方案。 本书特色： 理论与实践并重： 既深入讲解量子纠缠的物理原理，也详细介绍其在信息安全领域的实际应用和技术挑战。 清晰易懂的阐述： 尽量避免艰涩的数学公式，通过丰富的类比和图示，帮助读者建立直观的理解。 前瞻性视角： 不仅介绍当前的研究成果，也展望量子技术未来的发展方向。 全面深入的分析： 涵盖量子纠缠的理论基础、应用场景、实现技术以及未来发展，提供一个全景式的了解。 通过阅读《量子纠缠与信息安全》，您将对这一颠覆性的物理现象及其在构建更安全、更强大未来中所扮演的关键角色，获得深刻的理解。这不仅仅是一本关于科学的著作，更是一扇通往未来信息时代的大门。

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拿到这本书时，我原本是抱着学习基础光学概念的期望，但很快发现它探讨的层次要深刻得多，简直像是一部高精尖的“工具书”。作者在介绍光波导耦合效率的优化算法时，引用的案例几乎都是近五年内发表的顶级期刊成果，这使得内容保持了极高的时效性。尤其是在描述**集成光子芯片**的制造公差对器件性能的影响时，书中给出的仿真结果和实验数据的对比分析，非常具有说服力。我对比了手头几本经典的教科书，这本书在**非序列光线追迹**的复杂场景处理上，展现了独特的计算优化思路，对于从事光学设计仿真工作的人员来说，简直是如获至宝。唯一让我感到略为遗憾的是，在某些涉及到新型光电探测器的章节中，对工作机制的文字描述略显精炼，如果能配上更丰富、更直观的流程图或示意图，理解起来或许会更加轻松。但瑕不掩瑜，它无疑是推动技术实践层面的重要参考资料。

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这本书的开篇介绍着实抓住了我的眼球，特别是关于新一代信息技术与光学技术的深度融合趋势。作者没有停留在传统的光学理论介绍上，而是非常前瞻性地探讨了微纳结构如何赋能光通信、传感乃至生物医疗等前沿领域。书中对超表面（Metasurface）的设计与调控原理的阐述尤为细致，从理论建模到实际的制备工艺，都给出了详尽的分析。我特别欣赏它在跨学科知识整合方面的努力，将电磁场理论、量子光学概念与纳米加工技术无缝衔接起来，使得即便是对某些领域略有涉猎的读者，也能快速建立起一个宏观的认知框架。不过，对于初学者来说，其中涉及的高级数学推导部分可能会显得有些门槛，需要读者有一定的微积分和线性代数基础才能完全跟上作者的思路。总体而言，它更像是一本面向研究人员和资深工程师的参考手册，提供了大量可供深入探索的方向和工具箱。这种深度和广度兼备的写作风格，在同类书籍中是比较少见的，极大地激发了我对未来光子学应用场景的想象力。

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这本书的装帧和排版质量非常出色，尤其是那些复杂的**光学器件截面图**和**电磁场分布云图**，印刷得清晰锐利，色彩还原度极高，这对于阅读那些依赖视觉信息的专业书籍来说至关重要。我花了很长时间仔细研究了其中关于**光栅耦合效率**的理论模型修正部分，作者对菲涅耳/夫琅禾费衍射的适用条件进行了细致的区分和讨论，这在很多传统教材中是被简化处理的。书中提供了一个关于**光场调控**的软件应用示例，虽然我没有深入使用，但其逻辑结构清晰可见，显示了作者在理论与工程实践之间的平衡把握。它不是一本速成书，更像是一部需要反复研读、时常翻阅的案头工具书。读完之后，我对如何设计一个具备特定偏振特性的微结构有了全新的理解，这种知识的沉淀和思维框架的重塑，是任何快速教程都无法比拟的宝贵财富。

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这本书的阅读体验非常“硬核”，它不是那种轻松愉快的科普读物，而更像是一场严谨的学术盛宴。我最欣赏的是它对**衍射极限**突破策略的系统性梳理，从近场扫描探针技术到基于结构光场的调控，作者构建了一个清晰的逻辑链条。书中对于**亚波长结构**的电磁响应分析，大量采用了有限元方法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）的边界条件处理，细节之到位，让我对数值模拟的掌握又上了一个台阶。我尝试着按照书中的步骤搭建了一个简易的平面波导耦合模型进行验证，发现其理论预测值与我的初次模拟结果非常接近，这极大地增强了我对书中理论体系的信心。当然，也正因为其内容的专业性，对于那些仅仅想了解“光是什么”的读者来说，这本书的阅读门槛无疑是相当高的，它要求读者具备扎实的物理基础，并且能够忍受大量的数学公式和符号推导。

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我对这本书的评价必须从其**系统性和前瞻性**两个维度来展开。系统性体现在，作者成功地将原本分散在光学、材料学和电子工程中的知识点有机地编织在了一起，形成了一个关于“微小尺度下光操控”的完整知识图谱。特别是关于**光捕获与散射**的章节，它不仅解释了现象，更深入剖析了背后的物理机制，甚至触及到了随机介质中的光传输理论。而前瞻性则体现在，书中对未来**柔性光学器件**和**可穿戴光电设备**的展望，充满了令人振奋的洞察力。作者没有停留在已有的成熟技术上，而是大胆地探讨了基于二维材料的动态光控方案。唯一的不足，也许是由于篇幅所限，对具体实验方案的细节描述稍显不足，如果每种新颖结构都能附带一个更详尽的“如何开始”的指南，对于希望快速入门实验的科研人员会更有价值。总而言之，它是一本能引导你思考“下一步该做什么”的书。

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