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出版者:Oxford University Press, USA

作者:Philip Duke

出品人:

页数:272

译者:

出版时间:2009-02-15

价格:USD 60.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780199559091

丛书系列:

图书标签:

• Synchrotron Radiation
• Synchrotron
• Radiation
• X-ray
• Physics
• Accelerator Physics
• Materials Science
• Spectroscopy
• Surface Science
• Condensed Matter Physics
• High Energy Physics

好的，这是一本名为《量子计算的未来：从基础理论到前沿应用》的图书简介： --- 量子计算的未来：从基础理论到前沿应用 图书简介 在信息时代的浪潮中，经典计算正面临着其物理极限的挑战。硅基芯片的摩尔定律逐渐放缓，传统计算的算力瓶颈日益凸显。然而，一股颠覆性的力量正在悄然崛起，它基于量子力学的奇特原理——量子计算。 《量子计算的未来：从基础理论到前沿应用》旨在为渴望深入理解这一革命性技术领域的读者提供一份全面、深入且富有洞察力的指南。本书跨越了理论物理、计算机科学、材料科学和工程学的边界，系统地梳理了量子计算从诞生之初的理论构想，到当前百花齐放的硬件实现，再到未来可能彻底重塑科学研究与产业格局的广阔应用前景。 本书结构严谨，内容详实，旨在服务于对量子计算有初步了解，并希望系统化、深入化学习的工程师、科研人员、高年级本科生及研究生。 --- 第一部分：量子力学基石与计算范式转换 (The Quantum Foundation) 本部分是理解量子计算的逻辑起点。我们首先回顾了支撑量子计算的核心量子力学概念，但侧重点在于其在信息处理中的体现，而非深奥的数学推导。 第一章：微观世界的奇异性 详细阐述了量子比特（Qubit）的概念，它是信息处理的基本单元。我们将深入探讨叠加态（Superposition）如何允许一个比特同时存储多个信息，以及量子纠缠（Entanglement）如何成为实现指数级并行计算能力的关键资源。这一章将用直观的类比和明确的数学框架（如狄拉克符号）来解释这些非经典的物理现象如何转化为计算优势。 第二章：从比特到量子门 阐述了量子计算的“操作集”——量子逻辑门。本书不仅介绍了单比特门（如泡利门、Hadamard门）和多比特门（如受控非门 CNOT），还重点分析了通用量子计算模型的构建。我们将探讨量子线路模型，并论证为什么少数几个关键的量子门组合足以实现任何可计算的量子操作。 第三章：量子计算的理论模型 这一章将区分不同的计算范式。除了最主流的量子电路模型，我们还将介绍量子退火（Quantum Annealing）和测量驱动计算（Measurement-Based Quantum Computation, MBQC）的独特机制和适用场景。通过对比这些模型，读者将能更好地理解不同硬件架构的理论潜力与局限。 --- 第二部分：硬件的竞技场：量子处理器实现路径 (The Hardware Arena) 量子计算的实际挑战在于如何稳定、精确地控制微观粒子。本部分将详细剖析当前全球范围内竞争最激烈的量子硬件平台，重点分析它们的物理基础、技术成熟度和可扩展性挑战。 第四章：超导电路量子计算 深入探讨了基于约瑟夫森结（Josephson Junction）的超导量子比特。我们将解析Transmon和Flux Qubits的设计原理，讨论如何通过微波脉冲精确地执行门操作。同时，本章将详述可扩展性面临的重大工程难题，例如串扰、读出噪声以及对极低温环境的苛刻要求（毫开尔文）。 第五章：囚禁离子与光子系统 囚禁离子（Trapped Ions）因其极高的相干时间和优异的门保真度被视为“黄金标准”之一。本章将介绍如何利用激光和电磁场精确地囚禁单个离子，并利用离子间的集体振动模式实现高保真度的两比特门操作。此外，光量子计算的独特优势——室温操作和抗环境退相干能力——也将被全面介绍，重点分析其在构建线性光学量子计算网络中的潜力。 第六章：新兴与混合平台 这一章面向前沿探索者，涵盖了如中性原子（利用Rydberg态）、拓扑量子比特（聚焦于内在的抗错性）以及半导体量子点等新兴技术。我们还将重点分析量子-经典混合算法（Hybrid Quantum-Classical Algorithms），例如变分量子特征求解器 (VQE)，这类算法在当前“含噪声中等规模量子”（NISQ）时代的应用价值。 --- 第三部分：算法的威力与革命性应用 (Algorithms and Impact) 硬件的进步必须与突破性的算法相匹配才能实现真正的计算飞跃。本部分将聚焦于那些能展现量子计算超越经典计算“量子优势”的关键算法，并探讨它们在真实世界中的潜在落地场景。 第七章：量子算法的里程碑 深入解析两个奠定量子计算历史地位的算法： Shor算法： 剖析其分解大质数的原理，以及它对现代公钥加密体系（如RSA）构成的根本性威胁。这部分将详细讨论后量子密码学（Post-Quantum Cryptography, PQC）的研究背景与进展，这是密码学界对量子威胁的必然反应。 Grover搜索算法： 解释其在无结构数据库搜索中实现平方加速的机制，并探讨其如何应用于优化问题。 第八章：量子模拟与材料科学 量子计算机最自然的用途之一是模拟量子系统本身。本章将详细介绍如何利用量子设备模拟分子动力学、化学反应路径以及新型材料的电子结构。我们将讨论量子计算机在催化剂设计、超导材料发现和药物分子优化中的前景。 第九章：金融建模与优化难题 介绍量子计算在金融工程中的应用潜力。重点讨论期权定价（如Black-Scholes模型的量子加速）、投资组合优化（大规模二次约束二元优化问题 QUBO）以及风险管理中蒙特卡洛模拟的量子加速方案。 第十章：机器学习的量子加速 量子机器学习（QML）是当前的研究热点。本章将阐述如何设计量子特征映射来处理高维数据，探讨量子支持向量机（QSVM）和量子神经网络（QNN）的架构，并评估它们在模式识别和大数据分类中的实际性能增益。 --- 第四部分：工程、误差与未来路线图 (Engineering and Roadmap) 本书的最后部分将目光投向将理论转化为实际产品的工程挑战，并描绘出通往容错量子计算（Fault-Tolerant Quantum Computing, FTQC）的漫长道路。 第十一章：噪声、退相干与量子纠错 详细分析退相干（Decoherence）是量子计算的头号敌人。本章将系统介绍量子误差修正码（Quantum Error Correction, QEC）的基本原理，如表面码（Surface Codes），解释如何通过编码冗余的物理比特来创建逻辑比特，这是构建可靠、大规模量子计算机的先决条件。 第十二章：软件栈与编程生态 讨论当前的量子编程语言和框架（如Qiskit, Cirq, PennyLane），介绍它们如何将高级算法转化为底层硬件可以执行的脉冲序列。本章还将探讨量子编译器在优化量子线路和映射逻辑门到物理拓扑结构中的关键作用。 第十三章：宏伟蓝图与伦理考量 总结当前的量子技术路线图，预测不同技术路径（超导、离子阱等）何时可能达到量子霸权（Quantum Supremacy）的下一阶段——即解决具有实际应用价值的难题。最后，本书将讨论量子计算可能带来的社会、安全与伦理影响，强调负责任创新的重要性。 --- 《量子计算的未来》不仅是一本技术手册，更是一份对下一代计算范式的深度探索报告。它将引导读者从基础物理原理出发，穿梭于复杂的硬件实现迷宫，最终抵达那些即将被量子计算重塑的广阔应用前沿。阅读本书，即是为迎接信息技术下一次伟大飞跃做好准备。

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老实说，我期待这本书能更侧重于实验操作层面的细节，但阅读下来，它更像是一部宏大的理论蓝图的构建，而非一本详尽的“如何操作”手册。这本书的理论深度令人印象深刻，它对电动力学在加速带电粒子时的应用进行了近乎全景式的扫描，从经典的切伦科夫辐射到复杂的非线性效应，都有着扎实的数学基础支撑。我个人特别欣赏作者在处理相对论效应时所采取的渐进式解释方法。他们没有直接堆砌复杂的洛伦兹变换，而是先从低速近似入手，逐步引入高速粒子效应，这种教学梯度设计非常符合物理直觉。不过，对于那些急需将理论转化为实际光束线参数设置的工程师们来说，可能需要辅以更多的应用案例分析。书中虽然提到了不同晶体单色器的衍射原理，但对于实际操作中温度漂移、气流扰动等环境因素对光束稳定性的影响探讨略显不足。总而言之，这是一部为理论物理学家量身打造的经典著作，它让你理解“为什么”，但“怎么做”的部分，或许需要读者自己去探索和补充。

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这本书的语言风格充满了古典的学术气息，句子结构严谨，用词精准，透露着一股不容置疑的专业性。它不是那种试图用口语化表达来拉近距离的书籍，而是直接将读者带入了高阶电磁学和粒子加速器物理的深层讨论之中。我发现自己不得不频繁地停下来，回溯前几章的内容，以确保对当前推导的每一步都了然于胸。这种挑战性是它魅力的一部分。特别是对高阶傅里叶变换在波束整形中的应用那几章，逻辑链条非常长，几乎没有冗余的赘述，每一个公式的引入都服务于最终的模型构建。阅读过程中，我感觉自己仿佛在跟随一位经验极其丰富、但极度内敛的导师进行一对一的深度研讨。这种沉浸式的学习体验，对于那些已经具备一定基础，渴望突破瓶颈的进阶学习者来说，是无价的。然而，对于那些刚接触这个领域的本科生而言，缺乏必要的“消化辅助”——比如大量的例题解析或详细的数值模拟结果展示，可能会使得学习过程略显吃力，需要更多的外部资源配合。

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这本书的装帧设计实在令人眼前一亮，硬壳封面泛着低调的哑光质感，中央烫金的标题字体设计得简洁有力，仿佛在无声地宣告着内容的深刻与权威。初次翻阅，我立刻被其排版布局所吸引。那种教科书式的严谨与学术期刊的优雅完美地融合在了一起。图表的清晰度极高，无论是复杂的散射角分布图，还是精细的能谱分析曲线，都处理得如同艺术品一般精确。尤其是那些在黑白印刷中依然能辨识出丰富细节的结构示意图，足见出版方在制版印刷上的用心良苦。阅读过程中，我发现作者在关键概念的阐述上，总是能恰到好处地穿插一些历史渊源的小故事，这使得原本可能枯燥的物理原理变得生动起来，大大降低了初学者的入门门槛。例如，在讨论电子束与磁场相互作用产生辐射的章节，作者不仅给出了麦克斯韦方程组的推导，还引用了前辈科学家们当年第一次观察到这种现象时的激动心情，这种人文关怀让技术书籍不再冷冰冰。此外，书中的边注和索引也做得极其详尽，遇到不熟悉的术语可以迅速定位到定义或延伸阅读的推荐，极大地提升了查阅效率，对于科研工作者来说，这无疑是省时省力的宝贵财富。

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这本书的价值体现在其对基础物理的深刻挖掘上，而非仅仅停留在工程应用层面。它成功地将经典物理学的两大支柱——电磁学和狭义相对论——在一种高能、高速度的背景下进行了完美的整合。作者在解释磁聚焦和电场加速过程中，反复强调了时空弯曲对粒子轨迹的根本性影响，这使得读者能从更本质的物理图像上去理解加速器的设计原理，而非仅仅是记住公式。例如，在描述能量增益效率时，作者引入了相位空间几何的观点，用图形化的方式解释了如何通过精确的射频控制来实现最优的束流捕获。我发现这部分内容对于理解回旋加速器和同步加速器设计的本质区别非常有启发性。唯一的遗憾是，作为一本如此重量级的专著，它在现代计算工具的应用方面似乎略显保守。虽然书中包含了一些关于数值模拟方法的理论介绍，但缺少对当前主流的、开源的粒子追踪代码（如Elegant或MAD-X）的深入集成和比较分析，这使得理论与最新的软件实现之间存在了一定的鸿沟，需要读者自行弥合。

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这本书的结构组织体现了一种清晰的逻辑脉络，它不是简单地罗列现象，而是按照能量获取和输运的物理过程进行分块论述。开篇对加速腔的电磁场模式进行了详尽的分类和分析，这为后续讨论如何高效地激发和利用这些场奠定了坚实的基础。我尤其欣赏作者在处理“束流稳定性”这一核心问题时所采用的系统性方法。他们从微扰论出发，层层深入到KAM定理在束流动力学中的应用，这种从宏观到微观、再到非线性混沌的递进，构建了一个非常完整的理论框架。书中对于束流-束室相互作用（Beam-Wakefield Interaction）的论述，是目前我所见到的最为全面和深入的章节之一，它不仅涵盖了标准的阻抗分析，还深入探讨了等离子体效应的影响。然而，我希望能看到更多关于现代对流束（Convecting Beam）控制技术的前沿进展，例如基于机器学习的实时反馈控制系统的理论建模部分略显保守，似乎更侧重于传统的反馈理论，对近年来新兴的AI辅助优化技术着墨不多。

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