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出版者:科学出版社

作者:伊藤恭史

出品人:

页数:229

译者:

出版时间:1997-1

价格:17.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030062154

丛书系列:

图书标签:

• TGF
• 数字电路
• 电路分析
• 逻辑设计
• 计算机组成原理
• 电子技术
• 嵌入式系统
• FPGA
• VHDL
• Verilog
• 数字系统设计

书籍简介：《量子信息与计算导论》 核心主题： 本书旨在为读者提供一个全面且深入的量子信息科学与量子计算的理论基础、核心概念以及前沿应用概览。它侧重于建立坚实的数学和物理学框架，以理解量子力学的基本原理如何转化为全新的计算范式。 目标读者群： 本书面向具有扎实的线性代数基础和初步量子力学知识（或愿意快速学习所需背景知识）的理工科高年级本科生、研究生，以及希望跨学科了解量子计算原理的研究人员和工程师。 --- 第一部分：量子力学基础与信息载体 第1章：经典信息回顾与量子力学基石 本章首先回顾经典的比特（Bit）概念及其运算，为引入量子比特（Qubit）奠定基础。随后，详细阐述量子力学的基本公设，包括态矢量空间、希尔伯特空间、算符的定义及其在物理系统中的表征。重点讨论了态的叠加原理和波函数的坍缩，并引入狄拉克符号（Bra-Ket Notation）作为描述量子态的通用语言。 第2章：单比特与多比特系统 详细解析单量子比特的几何表示——布洛赫球（Bloch Sphere），并展示如何用旋转矩阵（单比特门）来操作量子态。随后，将讨论多量子比特系统的张量积结构，强调指数级增长的希尔伯特空间复杂度。本章详细阐述了量子纠缠（Entanglement）的概念，包括贝尔态（Bell States）的构造和Bell不等式的物理意义，这是区分量子计算与经典计算的关键特征。 第3章：量子测量与密度矩阵 深入探讨量子测量的理论框架。讲解投影测量（Projective Measurement）的数学形式，并分析测量对量子态的影响。引入密度矩阵（Density Matrix）来描述混合态（Mixed States）和不确定性，这对于处理开放量子系统和实际噪声环境下的计算至关重要。本章还将涵盖冯·诺依曼熵（Von Neumann Entropy）作为量化纠缠和不确定性的工具。 --- 第二部分：量子计算的算术与算法 第4章：通用量子门集与电路模型 本章构建量子计算的通用操作工具箱。首先介绍构成通用门集的必要门，如Hadamard门、相位门（$T$门或$S$门）和受控非门（CNOT）。随后，详细讨论量子电路图（Quantum Circuit Diagram）的绘制规范和阅读方法。通过实例展示如何利用这些基本门构建更复杂的复合操作，例如Toffoli门（CCNOT）的实现原理，并讨论量子电路的量化复杂性。 第5章：量子傅里叶变换与相位估计算法 量子傅里叶变换（QFT）是量子计算中效率最高的子程序之一。本章首先推导QFT的数学形式，并展示其与经典离散傅里叶变换的指数级加速关系。在此基础上，系统介绍相位估计算法（Phase Estimation Algorithm, QPE），阐述QPE如何用于高效确定酉算符的本征值，并指出其在模拟哈密顿量和求解特征值问题中的核心地位。 第6章：秀尔算法（Shor's Algorithm）的分解 本章将拆解量子计算领域最具突破性的算法——秀尔算法。重点讲解其解决大数因子分解问题的原理。详细阐述如何将因子分解问题规约到周期查找问题，并展示QPE如何应用于周期查找（Order Finding），从而实现对RSA加密体系的威胁。本章严格区分算法的量子部分和经典优化部分。 第7章：格罗弗搜索算法（Grover's Algorithm） 格罗弗算法提供了在非结构化数据库中进行平方加速的搜索方法。本章解释了“振幅放大”（Amplitude Amplification）的基本思想，这是格罗弗算法的核心机制。通过几何可视化，展示迭代应用格罗弗算符如何逐渐将目标态的概率振幅推向1。对比经典搜索的$O(N)$复杂度与量子搜索的$O(sqrt{N})$复杂度。 --- 第三部分：量子模拟与物理实现挑战 第8章：量子模拟与哈密顿量演化 量子计算的一个核心应用在于精确模拟其他量子系统。本章介绍如何使用量子电路来模拟时间演化算符 $e^{-iHt}$。重点讨论Trotter-Suzuki分解方法，及其在将连续时间演化近似为有限步酉操作中的应用。通过模拟简单的分子系统或磁性模型，展示量子模拟的潜力。 第9章：变分量子本征求解器（VQE） 针对当前噪声中等规模量子（NISQ）设备的局限性，本章介绍变分量子算法。详细阐述变分量子本征求解器（VQE）的混合量子-经典优化循环，解释如何使用参数化量子电路（Ansatz）来近似目标系统的基态能量。讨论Ansatz的选择策略和梯度计算方法（如参数迁移法）。 第10章：噪声、错误和容错量子计算 本章关注将理论模型转化为实际硬件时面临的挑战。详细分析常见的退相干（Decoherence）和噪声源，如比特翻转和相位翻转。引入量子错误修正码（Quantum Error Correction, QEC）的基本概念，如经典汉明码在量子世界中的推广。重点介绍最基础的表面码（Surface Code）的拓扑结构及其容错阈值的意义，为理解未来大规模容错量子计算机的设计提供框架。 --- 结语： 本书的完成旨在为读者构建一个坚实且富有洞察力的量子计算知识体系，从信息论的视角理解量子现象的计算潜力，并展望其在密码学、材料科学和优化问题中的变革性作用。

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这本书的深度和广度都超出了我的预期。我原本以为它会集中在某个特定的技术领域进行深入挖掘，但读完之后才发现，它更像是一部横跨多个学科的知识交响乐。从对早期计算模型历史的梳理，到对未来人机交互模式的大胆预测，作者展现了令人惊叹的知识储备。尤其令我印象深刻的是关于“非线性系统中的模式识别”那一部分，作者没有直接抛出复杂的数学公式，而是用一个极其精妙的蝴蝶效应案例来串联起整个章节的逻辑，这种叙事技巧的处理堪称一绝。它成功地将原本需要深厚专业背景才能理解的知识，转化为对普通读者也具有启发性的思考路径。阅读过程中，我感觉自己像是在跟随一位经验丰富的向导，穿梭于知识的迷宫，每到一个岔路口，作者都能精准地指出哪条路通往更深远的洞见。这种亦师亦友的阅读体验，让我对作者的敬佩之情油然而生，这是一本能真正拓宽读者思维边界的作品。

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这本书最大的亮点在于其独特的章节组织和编排方式，完全打破了传统教科书的线性叙事模式。它更像是一部精心策划的音乐会，每一章都有明确的主旋律，但它们之间的切换和衔接却充满了艺术感。我注意到，作者在章节之间使用了大量的“回溯”和“预示”技巧，比如在探讨A概念时，会巧妙地引用后面才会详细展开的C概念作为佐证，这种手法极大地激发了读者的好奇心，让人迫不及待地想翻到后面去寻找答案。此外，书中在一些关键转折点会插入一些极富个人色彩的“作者手记”，这些手记往往没有技术细节，但却是作者心路历程的真实写照，让人感受到文字背后那鲜活的创造者，而不是冰冷的知识传递机器。这种人情味与硬核知识的完美融合，让阅读体验从单纯的学习过程，升华成了一次与一位智者的深度对话。我甚至在想，作者在设计这本书的结构时，一定投入了与内容创作同等的心力。

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这本书的装帧设计实在太吸引人了，那种略带复古的墨绿色封面，配上烫金的字体，拿在手里沉甸甸的，很有质感。我本来只是被它的外观吸引，随手翻开看了一眼排版，立刻就被吸引住了。作者在开篇就构建了一个非常宏大的叙事背景，感觉像是置身于一个信息爆炸的时代，每一页都在试图解构我们习以为常的“逻辑”和“连接”。它不是那种枯燥的理论堆砌，而是通过一系列富有想象力的比喻，将抽象的概念具象化。比如，书中用来阐述信息传递效率的一章，作者竟然引用了古代的烽火台系统和现代的量子纠缠理论进行类比，这种跨越时空的对比，让原本晦涩的原理变得生动有趣，让人忍不住一口气读完。而且，文字的韵律感很强，读起来简直是一种享受，仿佛作者在用一种古典的文学手法来描绘现代的科技进程，这种独特的文风是市面上大多数同类书籍难以企及的。我特别喜欢它在讨论“信息熵减”时所采用的那种哲学思辨，让人在阅读知识的同时，也在反思自身认知结构的建立过程，绝对是那种值得反复品味的书。

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这本书的实用性可以说是“润物细无声”地渗透进来的。我一开始只是抱着了解新知的心态翻阅，但很快发现，书中的许多思考框架，可以立即应用到我日常的工作决策中去。书中关于“决策树的构建与优化”那一段，简直是职场人士的福音。作者不是简单地介绍流程，而是细致地剖析了在信息不完全对称的情况下，如何通过设定合理的“阈值”和“反馈回路”来迭代优化决策方案。它教会我的不是具体的“怎么做”，而是更重要的“为什么这么做”。而且，书中对于各种案例的引用都非常贴切和具有时代感，比如分析某个经典商业案例时，作者会巧妙地引入现代算法的视角进行重新审视，这种新旧观点的碰撞，让原本陈旧的案例焕发出新的生命力。读完后，我明显感觉到自己在分析问题时，结构更加清晰，逻辑链条更加稳固，这种潜移默化的能力提升，远比死记硬背知识点来得更有价值。

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说实话，这本书的阅读门槛比我想象的要高一些，但绝非令人望而却步的“天书”。它对读者的专注度和思考连贯性提出了相当高的要求。某些章节的论证过程极其缜密，句子结构复杂，如果分心哪怕一秒，都可能跟不上作者的思维跳跃。但正因为这种挑战性，使得每一次成功攻克一个难点，都会带来巨大的成就感。我特别喜欢作者在处理复杂概念时，那种近乎偏执的严谨性，每一个论断背后似乎都有着严密的推导支撑，没有半点含糊不清的地方。这让这本书拥有了极高的可信度和参考价值。它不像有些畅销书那样为了迎合大众而牺牲深度，而是坚定地站在学术和深度思考的一边，坚持用最精确的语言去描述最复杂的现象。对于那些真正渴望深入理解事物本质，不惧怕硬骨头挑战的读者来说，这本书无疑是一座宝藏。

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