Computing in Nonlinear Media & Automata Collectives pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Taylor & Francis

作者:Andrew Adamatzky

出品人:

页数:395

译者:

出版时间:2001-06-15

价格:USD 175.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780750307512

丛书系列:

图书标签:

• 非线性动力学
• 自动机
• 计算
• 复杂系统
• 自组织
• 网络科学
• 信息处理
• 新兴计算
• 非线性介质
• 集体智能

《量子计算与信息论前沿：原理、算法与应用》 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且前沿的视角，探讨量子计算与信息论交叉领域的核心原理、关键算法及其在现代科技中的广泛应用。本书内容聚焦于理论基础的严谨构建、算法设计的创新突破以及实际系统实现的挑战与前景，力求为物理学家、计算机科学家、数学家以及相关工程技术人员提供一本权威的参考读物。 --- 第一部分：量子计算基础与理论架构 本部分致力于夯实读者对量子力学基本原理在信息处理领域应用的理解，并系统介绍量子计算的数学框架。 第一章：量子力学的基本原理与信息载体 本章首先回顾了经典物理学与量子物理学的核心差异，重点阐述了量子态的数学描述（希尔伯特空间、狄拉克符号），以及量子叠加性、量子纠缠等核心非经典现象。随后，本书详细讨论了量子比特（Qubit）的构建、操作与测量，包括其在不同物理系统（如超导电路、离子阱、拓扑量子比特）中的物理实现基础。本章深入探讨了量子信息熵的概念，区别于经典香农熵，引入了冯·诺依曼熵，并分析了其在描述系统纯净度与纠缠度上的关键作用。此外，对量子力学中的“测量问题”进行了审慎的哲学和物理学探讨，特别是其对信息提取的限制。 第二章：量子线路模型与通用量子计算 本章构建了标准量子计算模型——量子线路模型。详细介绍了基本量子逻辑门（如泡利门、Hadamard门、相移门、CNOT门）的矩阵表示及其在信息处理中的功能。本书不仅限于介绍单比特和双比特门，还扩展讨论了多比特高维系统的通用门集（Universal Gate Set）的完备性证明，以及如何利用它们来构建任意复杂的量子酉变换。章节着重分析了量子线路的深度、宽度与误差模型，为后续讨论量子纠错码和容错计算奠定了基础。此外，还引入了Adiabatic量子计算和拓扑量子计算等替代模型的理论框架，对比其在特定问题上的潜力与局限性。 第三章：量子信息论的核心概念 本章系统阐述了量子信息论的数学基础。核心内容包括对量子信道（Quantum Channel）的描述，特别是其在不可逆操作下的特性，引入了量子保真度（Fidelity）和量子相对熵。纠缠理论是本章的重中之重，详细区分了可分离态（Separable States）与纠缠态（Entangled States），并深入分析了主要的纠缠度量标准，如纠缠熵、纠缠见证（Entanglement Witness）和纠缠纯度。本书还探讨了量子隐形传态（Quantum Teleportation）和超密编码（Superdense Coding）等基本协议的原理与物理实现限制，展示了量子纠缠作为一种资源的能力。 --- 第二部分：关键量子算法与复杂性理论 本部分聚焦于最具影响力的量子算法，分析其相对于经典算法的加速机制，并探讨量子计算的理论复杂度边界。 第四章：经典与量子的计算复杂性 本章首先建立经典计算的复杂性层级（P, NP, BPP），为量化量子计算的优势提供参照系。随后，系统引入量子复杂性理论，定义了BQP（Bounded-Error Quantum Polynomial Time）类，并详细论证了BQP类与经典复杂性类之间的包含关系（如P $subseteq$ BQP）。重点分析了量子电路复杂度的下界估计，以及利用量子时间定理来评估特定计算任务的难度。本章还讨论了量子计算在解决NP-完全问题上的理论潜力与当前面临的障碍。 第五章：搜索、因子分解与模拟算法 本章是量子算法的核心内容。首先，对Grover搜索算法进行了详尽的推导和分析，明确了其二次加速的来源（振幅放大），并探讨了其在数据库搜索、优化问题中的应用局限。接着，本书详细剖析了Shor因子分解算法的原理，从量子傅里叶变换（QFT）到周期寻找的核心步骤，并分析了其实际应用对容错量子计算机的规模要求。此外，本章还深入介绍了量子模拟算法，特别是利用Trotter-Suzuki分解法对哈密顿量时间演化进行近似，这是化学、材料科学模拟的基础。 第六章：变分量子本征求解器（VQE）与其他混合算法 随着NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代的到来，本章重点介绍了混合量子-经典算法，特别是VQE。详细阐述了VQE的迭代框架，包括Ansatz电路的设计、能量函数（哈密顿量期望值）的计算，以及经典优化器（如COBYLA, SPSA）的选择与调优。本书也分析了QAOA（Quantum Approximate Optimization Algorithm）在解决组合优化问题（如最大割问题）中的表现，讨论了“Barren Plateaus”问题对这些变分算法训练的严重影响，并提出了缓解策略。 --- 第三部分：量子纠错、容错与未来展望 本部分关注如何从理论走向实际，解决量子计算中的噪声问题，并展望量子技术在各个领域的应用前景。 第七章：量子纠错码与容错计算 本章是实现大规模通用量子计算的关键技术。首先介绍了量子纠错的基本原理，解释了为什么经典纠错码不适用于量子态，并引入了量子错误模型（位翻转、位相翻转、综合错误）。本书详细讲解了最著名的量子纠错码，包括Shor码、Steane码和表面码（Surface Code）。对表面码的晶格结构、错误检测子和阈值理论进行了深入分析，解释了如何通过构建逻辑比特来对抗物理噪声，实现容错量子计算（FTQC）。 第八章：量子通信与网络架构 本章转向量子信息的传输与分发。详细介绍了量子密钥分发（QKD）的不同协议（如BB84、E91），并分析了其安全性基于物理定律的本质。随后，本书讨论了量子中继器（Quantum Repeater）的必要性，这是实现远距离量子通信的关键瓶颈，并分析了基于纠缠交换和纠错的下一代中继器架构。此外，本章还探讨了未来量子互联网的拓扑结构、路由协议以及异构量子设备间的接口标准问题。 第九章：新兴应用领域与未来挑战 本章对量子计算的前沿应用进行了展望。在材料科学方面，探讨了量子模拟在催化剂设计、高温超导机制探索中的应用潜力。在金融领域，分析了量子机器学习（QML）如何用于期权定价和风险分析的加速。最后，本章对当前量子技术发展面临的工程挑战进行了总结，包括量子比特相干时间、可扩展性、控制精度、以及量子软件栈的标准化问题。本书以对未来十年量子技术路线图的审慎评估作结，强调理论创新与工程实践的协同发展。 --- 目标读者群体： 理论物理学研究生及以上，计算机科学、信息工程相关专业的科研人员、博士后，以及希望深入理解量子信息技术核心原理的高级工程师。 全书特点： 结构严谨，数学推导详尽，内容涵盖从基础理论到最前沿容错架构的完整知识体系，注重物理严谨性与算法创新性的平衡。

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从排版和引文的注释来看，这本书体现了一种对学术严谨性的极致追求，但其内容本身却充满了实验精神和大胆的假设。我注意到作者引用了许多跨越了几十年甚至上百年的经典文献，然后用现代的计算工具对其进行了重新审视和验证，这展示了一种对知识传承的尊重和批判性继承。特别是最后关于“超越冯·诺依曼结构”的展望部分，作者以一种非常务实但又极富想象力的方式，勾勒出了未来计算形态的可能性。这本书的阅读体验是**沉浸式的、需要投入的**，它不提供简单的答案，而是提供一套更精妙的问题清单。读完之后，我感觉自己的思维“带宽”被极大地拓宽了，看待数据流、模式识别乃至决策过程的方式，都多了一层更具弹性和适应性的视角。这是一部真正有分量的作品，值得反复品读。

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这本书的书名光是看着就让人觉得充满了一种深邃的、甚至有些神秘的吸引力。我刚翻开第一页，就被作者那种近乎哲学思辨的开场白给抓住了。他不是直接抛出复杂的数学公式，而是先描绘了一幅宏大而迷离的图景：想象一下，信息是如何在一种**既非完全线性也非纯粹随机**的介质中自我组织的？这种“非线性介质”的概念，一下子就把我带入了对物理学、信息论乃至于生命起源的深层次思考中。书中对“细胞自动机”的阐述，尤其精彩，它没有停留在简单的图灵机模拟层面，而是深入探讨了复杂系统如何从简单的规则中涌现出高度结构化的行为。阅读过程中，我反复停下来，试图在现实世界中寻找与之对应的案例，比如湍流现象、生物种群的动态变化，甚至是金融市场的突变。作者的文字逻辑严密，但叙述的节奏却非常引人入胜，仿佛是在引领读者进行一场智力上的探险，去探索那些隐藏在看似混乱表象之下的秩序法则。

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这本书的叙事风格，可以用“**沉静而坚韧**”来形容。它不像某些流行科学书籍那样追求短期的感官刺激，而是采取一种缓慢渗透的方式，逐步将复杂的概念植入读者的心智。其中关于“记忆与遗忘”在非线性系统中的体现那几章，简直是神来之笔。作者巧妙地将这些概念与信息冗余、鲁棒性设计联系起来，探讨了系统如何在不断变化的环境中，既能保留关键信息，又能有效地丢弃噪声。这种对系统“健壮性”的深刻理解，对于任何从事系统架构或长期规划的专业人士来说，都具有极高的参考价值。它并非直接给出“如何构建一个更健壮的系统”的配方，而是从最基础的原理出发，构建了一套评估和理解系统复杂性的全新框架，其深度和广度令人叹服。

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对于一个习惯了传统工程思维的读者来说，这本书无疑是一次彻底的思维冲击。它强迫你跳出“输入-处理-输出”的僵硬框架，去拥抱那种**内在反馈环**和**历史依赖性**带来的不确定美感。书中对“混沌动力学”和“分形几何”的引用和解释，不是那种教科书式的罗列，而是将其置于信息处理的语境下进行再创造。我尤其欣赏作者对计算极限的探讨——那些在经典计算模型下看似无法解决的问题，在非线性介质的框架下，是否能找到新的计算范式？这种对计算本质的追问，让这本书的价值远超出了技术手册的范畴，它更像是一部关于“可能性边界”的探索志。阅读时，我经常需要放慢速度，对着图表和流程图反复推敲，因为作者提供的每一个模型都像是一把精巧的钥匙，能够开启一扇通往全新认知结构的大门。

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这本书的真正魅力，在于它对“涌现性”这一概念的百科全书式的梳理。我原以为这会是一本晦涩难懂的纯理论著作，但出乎意料的是，作者在处理高度抽象的问题时，总能找到极具画面感的类比。例如，书中关于“自适应同步”的讨论，通过对耦合振子网络的详尽分析，清晰地揭示了为什么看似孤立的个体，能够在没有中央控制的情况下达成一致的集体行为。这种对“集体智慧”底层机制的剖析，让人不禁反思我们日常生活中所见证的社会现象。更让我印象深刻的是，作者对不同数学工具的融合运用，使得原本可能只属于特定学科的理论，在这里得到了跨学科的印证和升华。这种融会贯通的能力，使得整本书读起来像是一部结构精密的交响乐，各个声部（无论是微分方程还是概率模型）都在精确的时间点上进入，共同构建出对复杂系统行为的深刻理解。

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