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出版者:

作者:McMahon, David

出品人:

页数:332

译者:

出版时间:2007-12

价格:723.00元

装帧:

isbn号码:9780470096994

丛书系列:

图书标签:

• 量子计算
• 量子信息
• 量子力学
• 计算科学
• 计算机科学
• 物理学
• 新兴技术
• 科普
• 技术
• 未来科技

好的，为您奉上一个名为《量子计算原理与应用》的图书简介，内容详实，不涉及您提到的《Quantum Computing Explained》一书的任何信息。 --- 《量子计算原理与应用：从基础理论到前沿实践》 图书简介 在信息技术飞速发展的今天，经典计算的摩尔定律正逐渐逼近物理极限。面对模拟复杂分子结构、优化超大规模系统以及破解现有加密体系等前沿挑战，一种全新的计算范式——量子计算，正以其颠覆性的潜力，引领着下一代信息革命的浪潮。 《量子计算原理与应用：从基础理论到前沿实践》是一部全面、深入且结构严谨的著作，旨在为读者构建一个从量子力学基础到前沿量子算法及硬件实现的完整知识体系。本书不仅面向对量子信息科学感兴趣的物理学、计算机科学及工程学领域的学生、研究人员和工程师，也为希望理解未来计算核心技术的行业决策者提供了清晰的路线图。 本书的叙述力求严谨而不失清晰，平衡了理论的深度与实践的可操作性，避免了过度抽象的数学推导，同时确保了核心概念的精确传达。 --- 第一部分：量子计算的基石——从经典到量子的跃迁 (The Foundations: From Classical to Quantum) 本部分致力于为读者打下坚实的理论基础，解释为何需要量子计算，以及支撑它的基本物理学原理。 第一章：经典计算的瓶颈与信息论的演进 本章回顾了图灵机模型、冯·诺依曼架构的局限性，并探讨了信息熵、计算复杂性理论（P, NP, BPP等）的基本概念。重点分析了在模拟自然界中的某些高度相互作用的系统时，经典计算机面临的指数级资源需求问题。 第二章：量子力学的核心概念重述 深入探讨了理解量子计算所需的关键物理概念，包括：叠加态（Superposition）、量子纠缠（Entanglement）、测量（Measurement）及其对波函数的影响。详细介绍了狄拉克符号（Bra-ket notation）的规范用法，以及如何使用希尔伯特空间描述量子态。本章强调了概率幅（Probability Amplitudes）与经典概率的区别，为后续的量子门操作奠定理解基础。 第三章：量子比特（Qubit）：信息的基本单元 详细阐述了量子比特的概念，如何通过泡利矩阵（Pauli Matrices）和布洛赫球（Bloch Sphere）形象化单量子比特的状态。对比经典比特的确定性与量子比特的概率性，并引入了量子态的张量积运算，为多比特系统做准备。 第四章：量子门与电路模型 系统介绍了构成量子线路的基本元素——单比特门（如Hadamard门、相移门）和多比特门（如CNOT、SWAP门）。重点分析了通用量子门集的概念，证明了少量基本门足以实现任意酉变换。本章还引入了量子电路图的绘制规范和基本操作流程。 --- 第二部分：核心算法与信息处理范式 (Core Algorithms and Information Processing Paradigms) 本部分聚焦于量子计算的“杀手级应用”——那些在理论上展示出超越经典计算优势的著名算法，并深入剖析其实现机理。 第五章：量子傅里叶变换（QFT）及其重要性 详细讲解了离散傅里叶变换（DFT）的定义，并推导出量子傅里叶变换（QFT）的量子电路实现。重点阐述了QFT如何通过指数级的加速实现，并预示了Shor算法的核心加速机制。 第六章：Shor算法：对RSA加密的威胁 全面解析Shor算法的结构，包括如何将大数分解问题转化为周期寻找问题。通过对QFT的应用进行细致的分解，展示其在多项式时间内完成因式分解的原理，并讨论了该算法对现有公钥加密体系的深远影响。 第七章：Grover搜索算法：二次加速的奥秘 系统介绍了Grover算法，这是解决无结构数据库搜索问题的经典范例。本章详细解释了“振幅放大”（Amplitude Amplification）技术的核心思想，对比了经典搜索的线性时间复杂度与Grover算法的平方根加速，并探讨了其在优化问题中的潜在应用。 第八章：量子模拟（Quantum Simulation） 探讨了量子计算在模拟量子系统方面的天然优势。本章介绍利用Trotter-Suzuki分解法将时间演化分解为一系列可执行的量子门操作，以模拟哈密顿量（Hamiltonian）的演化，这对于材料科学和药物发现至关重要。 --- 第三部分：新兴的量子计算范式 (Emerging Quantum Computing Paradigms) 本部分将目光投向非门模型的量子计算方法，以及更具前瞻性的计算框架。 第九章：变分量子本征求解器（VQE） 作为当前嘈杂中型量子（NISQ）时代最活跃的算法之一，VQE被深入剖析。本章详细介绍了其混合量子-经典优化循环的结构，包括如何构建ansatz（试探波函数）和经典优化器（如COBYLA、SPSA）的选择，重点讨论其在分子能量计算中的实际部署。 第十章：量子退火与绝热量子计算 对比了基于电路模型的通用量子计算，详细介绍了量子退火（Quantum Annealing）的工作原理，特别是它如何利用绝热定理来寻找优化问题的全局最小值。本章讨论了退火过程中的退相干问题以及专用量子退火机（如D-Wave系统）的架构特点。 第十一章：量子纠错码（QEC）导论 鉴于硬件噪声的不可避免性，本章引入了量子信息保护的必要性。系统介绍基本的纠错概念，包括阈值定理（Threshold Theorem），并详细阐述了Shor码、表面码（Surface Codes）等关键的拓扑编码方案，解释它们如何通过冗余编码和测量反馈来抑制错误。 --- 第四部分：硬件实现与未来展望 (Hardware Implementations and Future Outlook) 本部分从理论走向工程实践，探讨了当前主流的量子硬件平台的技术挑战和发展方向。 第十二章：超导量子比特技术 聚焦于当前最主流的硬件实现路径——基于超导电路（如Transmon Qubits）。详细解释了约瑟夫森结（Josephson Junctions）的工作原理，以及如何通过微波脉冲精确操控量子态。同时，讨论了读出电路、微波串扰以及大规模集成所面临的工程难题（如极低温环境要求）。 第十三章：其他前沿物理平台 对多种新兴的、具有潜力的量子比特平台进行了横向对比，包括： 离子阱（Trapped Ions）： 利用激光冷却和电磁场囚禁单个离子，实现极高的相干时间和门保真度。 光子量子计算： 探讨基于压缩态光和线性光学元件（如分束器）的计算模型，强调其在室温操作和远距离传输方面的优势。 半导体量子点与拓扑量子比特： 简要介绍这些旨在兼容现有半导体工艺和抵抗环境噪声的前沿研究方向。 第十四章：量子计算的生态系统与路线图 本章将视角提升到整个行业的层面。讨论了量子软件栈的演进，包括量子汇编语言、编译器和高层编程框架（如Qiskit, Cirq）。最后，对量子霸权（Quantum Supremacy）的里程碑进行了客观评估，并展望了从NISQ时代迈向容错通用量子计算（FTQC）所需的关键技术突破和未来应用领域，如金融建模、人工智能加速和材料设计的新范式。 --- 结语 《量子计算原理与应用》旨在成为一本兼具深度和广度的参考书，引导读者不仅理解量子计算的“是什么”，更深入理解其“为什么”和“如何做”。本书为读者提供了必要的理论武装和前沿视野，为投身于这一激动人心的科技前沿做好准备。

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语言风格上，作者显然是下了苦功去打磨，完全没有那种传统理工科书籍的刻板和冷漠感。它更像是一位睿智的导师在进行一对一的辅导，言语中充满了洞察力，却又不失幽默感。例如，在讨论量子计算的应用潜力时，作者引用了一些极具画面感的比喻，比如将模拟分子结构比作在“一个巨大的、未知的迷宫中寻找正确的钥匙”，而不是简单地说“优化分子模拟”。这种文学性的表达，极大地增强了阅读的沉浸感。更值得称道的是，书中对不同量子计算模型——比如量子门模型、绝热量子计算——的介绍，并非是平铺直叙的罗列，而是通过对比它们各自的优势与局限性，来凸显出整个领域仍在探索中的动态本质。这种叙事结构，让读者不只是知识的接收者，更像是这场科学竞赛的旁观者和参与者，能清晰地感受到不同流派之间的思想碰撞与技术权衡，体会到科学进步并非一帆风顺，而是充满辩证和取舍的过程。

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这本书的封面设计简约却富有深意，那种深邃的蓝色调让人联想到宇宙的浩瀚与未知的疆界，而中央那个抽象的、类似叠加态的符号，则精准地抓住了量子计算的精髓——那种既确定又模糊的悖论之美。我最初翻开它，是抱着一种敬畏和一丝丝忐忑的心情的，毕竟“量子”这个词汇本身就自带一种高不可攀的精英光环。然而，前几章的叙述方式，如同一个经验老到的向导，用极其生活化的比喻，将那些抽象的物理概念层层剥开。他没有直接抛出复杂的数学公式，而是先用扔硬币的概率游戏来阐释叠加态，接着又巧妙地引入了量子纠缠的概念，仿佛你在和一个老朋友下棋，他耐心地为你讲解每一步棋背后的深层逻辑，而不是直接告诉你“这一步必须这么走”。特别是作者对量子比特（Qubit）特性的阐述，那种从经典比特的“非黑即白”到Qubit的“灰度空间”的转变，写得极为流畅自然。读到后半部分，我甚至能感受到那种理论知识在头脑中构建起一个复杂但有序的框架，那种豁然开朗的愉悦感，远超单纯地背诵定义。这本书的价值在于，它成功地架设了一座桥梁，连接了普通读者的直觉思维与前沿科学的晦涩领域，让人在不知不觉中，已经踏入了量子世界的门槛。

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对于想要了解量子计算的实际操作层面的读者来说，这本书的实操指导部分虽然没有直接给出代码示例，但它对“如何构建量子计算机”这一挑战的描述，却比任何技术手册都来得更加震撼人心。作者详细拆解了实现量子逻辑门所面临的物理障碍，例如对超导电路的温度要求、离子阱的精确控制精度，乃至拓扑量子计算的复杂构架。他并未回避这些工程上的巨大难题，反而将它们描绘成人类智慧与自然规律之间的一场史诗级较量。这种对工程难度的坦诚披露，有效地平衡了前面对量子能力的美好憧憬，让读者能够更全面地认识到，从理论飞跃到实用工具之间，还有着鸿沟般的距离。读完这些章节，我不再将量子计算机视为一个唾手可得的“下一代超级计算机”，而是一个需要持续投入巨大资源、跨学科人才协作才能攻克的尖端工程项目，这种成熟的认知，是任何浮夸的宣传都无法给予的宝贵收获。

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这本书的叙述节奏感把握得相当到位，它不像某些科普读物那样，在介绍完基础概念后就陡然加速，直接跳入复杂的算法细节，让人措手不及。相反，它采用了螺旋上升的讲解策略。第一次接触某个核心概念时，作者会给出它的宏观图像，粗略勾勒出轮廓；随后，在后续章节中，随着读者对相关背景知识的积累，作者会不时地“回访”这个概念，每一次都注入更深层次的细节和更严谨的数学支撑，但始终保持着对非专业读者的友好。我尤其欣赏作者在处理“量子退相干”（Decoherence）这一关键问题时的细腻笔触。他没有将退相干简单描述为一个“坏消息”，而是深入剖析了它作为量子系统与宏观环境相互作用的必然结果，这种处理方式不仅科学严谨，更富有哲理意味，让我们理解到，构建稳定可靠的量子计算机，其挑战性远超我们想象的范畴。这种层层递进、不断丰满细节的写作手法，极大地降低了阅读的挫败感，使得原本被认为遥不可及的领域，变得触手可及，让人愿意持续探索下去。

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这本书在构建理论框架之外，对量子计算的历史脉络梳理得非常到位，这一点是很多只关注技术细节的科普书所欠缺的。作者没有仅仅停留在理论的“是什么”，而是花了不少篇幅讲述“为什么会是这样”。从费曼提出利用量子系统模拟量子的想法，到图灵机理论的局限性，再到秀尔（Shor）和格罗弗（Grover）算法的横空出世，每一步关键的历史节点都被赋予了足够的情感和逻辑重量。阅读这些历史片段时，我仿佛能感受到那个时代科学家们在面对理论瓶颈时的挣扎与突破。这种对“人”的关注，使得冰冷的技术叙事变得有血有肉。它提醒读者，任何伟大的技术飞跃，都是建立在无数前人智慧积累和偶尔的灵光乍现之上的。通过这种历史的纵深感，读者能更深刻地理解，我们现在所处的阶段，是科学长河中一个激动人心但尚未定型的关键时刻，从而对未来的发展抱有更理性和更具期待的眼光。

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