计算机科学与技术应用基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:机械工业出版社

作者:彭澎等编

出品人:

页数:383

译者:

出版时间:2002-7

价格:29.0

装帧:平装

isbn号码:9787111105305

丛书系列:

图书标签:

• 计算机科学
• 计算机技术
• 应用基础
• 高等教育
• 教材
• 入门
• 编程基础
• 信息技术
• 理工科
• 学科基础

《量子计算的理论与实践前沿》 内容简介 本书旨在全面、深入地剖析量子计算领域从基础理论构建到前沿技术应用的完整脉络。我们力求为读者提供一个既严谨扎实又富有启发性的视角，理解量子力学如何催生出颠覆性的计算范式，以及当前科研与工程领域所面临的关键挑战与突破方向。 第一部分：量子力学的基石与信息编码 本部分将从物理学原理出发，为理解量子计算打下坚实的基础。 第一章 量子力学的回归与重述： 我们将超越高中或大学初级物理中的经典描述，深入探讨量子力学的核心公设。重点解析希尔伯特空间（Hilbert Space）的数学结构，阐述态矢量（State Vectors）和密度矩阵（Density Matrices）如何精确描述量子系统的状态。特别强调狄拉克符号（Bra-Ket Notation）的运用及其在多粒子系统中的表达能力。 第二章 量子比特（Qubit）的本质与特性： 量子计算的最小信息单元——量子比特，其独特性在于叠加态（Superposition）和纠缠态（Entanglement）。本章详细阐述了 Bloch 球模型如何直观地表示单比特状态，并深入分析了这两种核心特性的物理意义和信息论价值。我们将探讨如何利用这些特性实现超越经典比特的信息容量。 第三章 量子门集与酉变换： 量子计算的逻辑操作是通过一系列可逆的、酉矩阵（Unitary Matrices）表示的量子门来实现的。本章系统梳理了基本的单比特门（如泡利门集 $X, Y, Z$ 和Hadamard门 $H$）和关键的双比特门（如 CNOT, CZ, SWAP）。我们将证明，任意酉操作都可以由一个通用的量子门集（如 ${H, T, CNOT}$）来近似实现，探讨了量子电路图的绘制规范与操作序列的优化原则。 第二部分：量子算法的理论架构与复杂度分析 本部分聚焦于那些展现出量子优越性（Quantum Advantage）的核心算法，并探讨其背后的数学原理和复杂度理论。 第四章 量子并行性与振幅放大： 量子算法的核心优势之一是利用叠加态进行“并行”计算。本章详细介绍 Grover 搜索算法的构造，深入剖析其关键步骤——黑箱函数（Oracle）的构建和振幅放大（Amplitude Amplification）技术。我们将进行严格的复杂度分析，对比其与经典最优搜索算法的性能差异（$mathcal{O}(sqrt{N})$ 对 $mathcal{O}(N)$）。 第五章 量子傅里叶变换（QFT）与相估计： 量子傅里叶变换是实现指数级加速的关键工具。本章从经典离散傅里叶变换出发，构建 QFT 的量子线路，并探讨其在量子相位估计（Quantum Phase Estimation, QPE）算法中的核心作用。QPE 是 Shor 算法的基石，我们将详细解析 QPE 如何精确地估计酉算符的本征值（即周期）。 第六章 Shor 算法：大数分解的革命： 本章专注于 Shor 算法的完整流程，包括如何将大数分解问题转化为周期查找问题，以及如何利用 QPE 算法求解该周期。我们将讨论该算法对现代公钥加密体系（如 RSA）构成的理论威胁，并分析其实际所需的量子比特数量和电路深度估算。 第七章 量子模拟与变分方法： 超越分解和搜索，量子计算在模拟复杂物理系统方面展现出巨大潜力。本章介绍量子模拟的基本思想，包括模拟哈密顿量演化的 Trotter 分解方法。重点深入探讨了当前NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代的主流算法——变分量子本征求解器（Variational Quantum Eigensolver, VQE）和量子近似优化算法（Quantum Approximate Optimization Algorithm, QAOA）。分析 VQE 中经典优化器与量子电路交互的混合式计算框架。 第三部分：物理实现、工程挑战与未来展望 本部分将讨论支撑量子计算从理论走向工程实践的各种物理平台及其面临的现实障碍。 第八章 主要物理实现平台： 量子比特的物理载体多种多样，每种平台都有其独特的优势与限制。本章详细对比了当前主流的几大技术路线： 1. 超导电路（Superconducting Circuits）： 重点讨论Transmon量子比特的工作原理、微波脉冲控制以及面临的退相干（Decoherence）问题。 2. 离子阱（Trapped Ions）： 分析激光冷却、电磁囚禁技术，以及离子间长程相互作用在实现高保真度多比特门方面的优势。 3. 拓扑量子计算（Topological Quantum Computing）： 探讨其利用非阿贝尔任意子（Anyons）实现本质抗错误的潜力，尽管其实验难度极高。 4. 光量子计算（Photonic Quantum Computing）： 讨论基于线性光学元件和单光子源/探测器的实现方案，尤其关注玻色采样（Boson Sampling）作为一种特定量子优势的展示。 第九章 量子误差控制与容错计算： 现实中的量子系统噪声是实现大规模、通用量子计算的最大障碍。本章系统介绍量子纠错（Quantum Error Correction, QEC）的原理。重点阐述表面码（Surface Code）的结构、逻辑量子比特的编码与解码过程，以及实现容错计算所需的物理量子比特与逻辑量子比特的开销比率。讨论阈值定理（Threshold Theorem）的意义。 第十章 编程模型与软件生态： 随着硬件的成熟，为量子计算机编写程序的需求日益增加。本章介绍当前主流的量子编程框架和工具链（如 Qiskit, Cirq, PennyLane）。探讨量子汇编语言（Quantum Assembly Languages）的设计原则，以及如何将高级算法描述转化为可执行的脉冲序列。最后，对未来量子计算的商业化应用前景（如药物发现、材料科学、金融建模）进行审慎的评估和展望。 本书结构严谨，内容深入，适合具有扎实线性代数和离散数学基础的研究人员、高年级本科生和研究生阅读，旨在培养读者不仅理解“如何运行”量子算法，更要洞察其“为何有效”的深刻理解。

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