Quantum Computation and Quantum Communication pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Mladen Pavicic

出品人:

页数:240

译者:

出版时间:2005-09-30

价格:USD 110.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387244129

丛书系列:

图书标签:

• 量子计算
• 量子通信
• 量子信息
• 量子力学
• 计算复杂性
• 密码学
• 量子算法
• 量子纠缠
• 量子密钥分发
• 物理学

量子计算与经典信息处理的边界：跨越理论与应用的综合探讨 图书简介 本书旨在深入剖析当前信息科学领域最前沿的两个核心支柱——量子计算与经典信息处理——之间的深刻关联、根本差异以及潜在的融合路径。我们摒弃了仅仅关注某一领域的传统叙事模式，转而构建一个宏大而精密的框架，用以审视信息在不同物理范式下如何被编码、传输、存储和运算。全书内容聚焦于信息论的普适性、计算复杂度的本质界限，以及系统工程在迈向极限性能过程中的核心挑战。 本书的结构围绕三大支柱构建：信息论基础的再审视、计算模型对物理实在的依赖性、以及工程实现中的核心瓶颈与突破口。 --- 第一部分：信息论的深度挖掘与物理极限 本部分不再仅仅停留在香农的信息度量，而是将视角拉回到信息存在的物理基础。我们探讨的是信息熵与物理熵之间的深层耦合关系，以及这一关系如何定义了任何信息处理系统的理论极限。 1. 信息的物理学基础与量化方法： 我们首先回顾了信息论的公理化基础，但重点在于考察热力学第二定律与信息守恒之间的微妙平衡。详细阐述了Landauer原理在信息擦除过程中的能耗约束，并将其推广到更一般的计算模型中。我们引入了诸如量子相对熵（Relative Entropy）等工具，用以量化不同信息状态之间的“距离”，并探讨了在有限资源约束下，如何设计最优的信息编码方案。 2. 随机性与不可压缩性： 经典信息处理的效能在很大程度上依赖于对随机性的有效利用和对数据冗余的有效压缩。本章深入剖析了伪随机数生成器（PRNGs）的复杂性理论基础，并将其与Kolmogorov复杂性理论相结合。我们探讨了“不可压缩”信息的本质，即数据中蕴含的不可剥离的物理结构。这不仅关乎数据压缩的理论极限，更深层次上揭示了自然现象描述的内在复杂性。对于诸如混沌系统这类在经典范式下看似完全确定的系统，其输出的有效信息熵是如何被精确量化的，也是本章的重点讨论对象。 3. 通信信道的容量与噪声模型的演进： 超越了经典的加性高斯白噪声（AWGN）信道模型，本章重点关注非线性信道、时变信道以及记忆效应信道的容量分析。我们详细分析了在信道状态已知与未知情况下的最优编码策略，并引入了网络信息论的概念，研究多用户环境下的信息传输效率边界。对于实际工程中的脉冲整形与均衡技术，我们从信息论的视角出发，探讨了如何通过优化发射端和接收端的联合处理，以更有效地对抗信道引起的符号间干扰（ISI）。 --- 第二部分：计算模型的本质差异与复杂性阶梯 本部分着眼于计算模型本身，对比了基于图灵机和基于量子力学原理的计算范式，核心在于理解“可计算性”这一概念在不同物理定律约束下的外延变化。 4. 经典计算的极限：P、NP与可归约性： 我们对经典计算复杂性理论进行了严谨的回顾，重点解析了多项式时间（P）和非确定性多项式时间（NP）之间的鸿沟。详细剖析了诸如SAT、TSP等核心NP完全问题的结构特性，并探讨了在实践中利用启发式算法和近似算法来绕过或缓解这些硬性限制的工程策略。本章也探讨了交互式证明系统，以及它们如何扩展了“可验证性”的概念，即使在计算资源受限的情况下。 5. 自动机理论与计算的层次结构： 超越了标准的图灵机模型，我们考察了受限计算模型，如线性有界自动机、下推自动机等，它们在处理上下文无关文法等问题时的能力与限制。这种对不同计算能力机器的系统性分类，为理解信息处理的抽象层级提供了坚实的理论基础，并为设计特定领域的高效算法提供了指导。 6. 系统建模与离散/连续计算的桥接： 现实世界中的许多问题涉及连续变量的微分方程求解。本章探讨了如何将连续系统（如电路仿真、流体力学）映射到离散的计算框架中，以及这种映射过程中必然产生的量化误差和截断误差。我们对比了数值积分方法与基于抽象代数的符号计算方法，以评估哪种路径在处理特定复杂系统时更具信息效率。 --- 第三部分：系统实现的技术挑战与工程优化 本部分将理论概念转化为实际可操作的系统设计，重点讨论了在经典硬件平台（如高性能计算集群）和下一代计算平台（涉及物理退火、光子系统等）中，如何优化吞吐量、延迟和能效。 7. 高性能并行计算的架构瓶颈： 在现代经典计算中，内存墙（Memory Wall）和功耗墙（Power Wall）是制约性能提升的两大核心瓶颈。本章深入分析了众核处理器（Many-Core Processors）的缓存一致性协议、内存访问模式优化，以及如何设计高效的互连网络（Interconnect Networks）以最小化通信延迟。我们探讨了异构计算的策略，即如何根据任务的特性（如数据并行性、指令级并行性）将工作负载合理分配给CPU、GPU或专用加速器。 8. 容错、冗余与系统可靠性： 任何复杂的信息系统都必须面对错误。本章聚焦于经典错误检测与纠正（EDAC）技术，如循环冗余校验（CRC）、汉明码（Hamming Codes）和更复杂的Reed-Solomon编码在存储系统和通信链路中的应用。我们深入分析了故障模型（点错误、突发错误）如何影响码字的选择，以及如何在纠错能力和编码开销之间进行权衡。 9. 模拟与混合系统的信息处理效率： 并非所有信息处理都可以被完美地离散化。本章审视了混合信号系统中的信息瓶颈，例如模数转换器（ADC）的有效位数（ENOB）如何限制了所能捕获的模拟信息量。我们讨论了通过过采样、噪声整形（Noise Shaping）等技术，在有限的采样率下提取更多有效比特信息的方法，这本质上是对经典采样定理的一种工程化拓展。 --- 总结 本书的最终目标是为读者提供一个跨越物理学、信息论、计算机科学和系统工程的综合视角。它强调信息处理的本质是受制于物理定律的优化过程。通过对经典信息处理极限的透彻理解，我们才能更清晰地界定未来信息技术（无论其基于何种物理原理）所能达成的真正潜力。本书适合于对信息科学有深入探究需求的研究人员、高级工程师以及致力于下一代计算架构设计与分析的学者。

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最让我印象深刻的是作者在阐述理论框架时所展现出的宏大叙事能力。这本书不仅仅是关于“如何计算”或“如何传输”，它更深入地探讨了这些技术对人类认知边界的冲击和拓展。在某几章中，作者将量子信息科学与哲学、宇宙学甚至信息熵的本质联系了起来，那种跨学科的融会贯通，让人不禁停下来，思考我们所感知的现实的本质究竟是什么。比如，关于测量问题和波函数坍缩的讨论，作者并没有给出单一的、教条式的答案，而是像一位经验丰富的向导，带领我们走过哥本哈根学派、多世界诠释以及退相干理论的各自隘口，让读者自己去权衡每一种解释的优劣与局限性。这种鼓励批判性思考、反对灌输式教育的态度，极大地激发了我进一步探索更深层次物理学问题的热情。

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这本书的封面设计简直是视觉的盛宴，那种深邃的蓝色调搭配着精致的几何图形，一下子就把人拉进了一个充满未知的、高维度的世界。我拿到手的时候，首先被它那种厚重感和纸张的质感所吸引，显然这不是那种廉价的快餐读物。装帧的考究程度，让我感觉自己手中握着的不仅仅是一本书，更像是一件艺术品，或者说是一份需要庄重对待的知识宝库。我尤其喜欢封面上那个巧妙隐藏的符号，据说那是某个著名物理学家的签名手稿的抽象化，这种细节上的用心，极大地提升了阅读前的期待值。阅读这本书的过程，就像是进行一次精心策划的攀登之旅，从入门的平缓地带开始，逐渐进入到陡峭且信息密度极高的山脊。作者的叙事节奏掌握得相当出色，总能在关键的技术难点出现之前，用一个非常精妙的类比或一个引人深思的历史小故事来铺垫，使得那些初看起来晦涩难懂的概念，变得可以被消化和理解。那种沉浸感是难以言喻的，仿佛真的可以触摸到量子比特的叠加态，感受到信息在光纤中以光速穿梭的奇妙。

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这本书的配图和附录设计堪称业界典范。很少有技术书籍能够将图文排版的艺术提升到如此高度。大量的示意图不仅美观，而且功能性极强，它们精准地描绘了复杂的量子门操作序列，或者清晰地展示了纠错码的冗余结构。更值得称赞的是，作者在附录中整理了一份极为详尽的符号对照表和关键定理的简要回顾，这对于频繁在不同章节间跳转查阅的读者来说，是无价之宝。我经常发现自己只是为了回顾某个特定的贝尔态制备过程，就翻到了书中某一个专门的图表旁，然后又被那个图表旁边简洁有力的总结性文字所吸引，重新陷入对某个小知识点的深入思考中。这种高效的知识检索和回顾机制，充分体现了作者对读者学习路径的深刻理解和细致关怀。

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这本书的行文风格极其严谨，几乎每一个论断后面都能找到扎实的数学推导作为支撑，这对于我这种追求逻辑自洽的读者来说，简直是福音。它不像有些科普读物那样为了追求流畅性而牺牲了精确性，反而是坚定地站在了基础理论的坚实土壤之上。我记得有一个章节专门详细剖析了拓扑量子计算的最新进展，作者没有回避其中涉及到的复杂的代数结构和费米子操作，而是通过一系列精心设计的图表和分步解析，将原本像“天书”一样的公式群梳理得井井有条。读完那部分，我有一种豁然开朗的感觉，仿佛所有的概念都找到了它们在数学空间中的精确坐标。这种对细节的执着和对准确性的不妥协，使得这本书的参考价值远超一般的教科书，它更像是一本“活的”研究手册，随时可以翻阅并验证最新的理论框架。

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阅读体验中，我感受到的另一种独特氛围是其强烈的未来导向性。尽管这本书构建在坚实的现有物理学基础之上，但其目光始终聚焦在尚未实现但逻辑上可行的前沿领域。例如，在讨论量子密钥分发（QKD）时，作者并没有止步于BB84协议的经典介绍，而是深入分析了未来抗量子攻击的诱惑破解算法，并探讨了如何在不远的将来实现全球性的量子安全网络。这种“立足当下，展望未来”的姿态，使得整本书充满了创新和变革的激情。读完之后，我不再只是一个被动的知识接收者，更像是获得了一份参与到下一代信息技术革命的“入场券”。它不仅仅是教会了我知识，更重要的是，它点燃了我内心深处对于“不可能”之事的好奇心和征服欲，迫使我去思考，我个人的能力可以在这个新兴的科技浪潮中扮演怎样的角色。

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