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出版者:电子工业出版社

作者:胡庆

出品人:

页数:237

译者:

出版时间:2006-9

价格:25.00元

装帧:平装

isbn号码:9787121030055

丛书系列:

图书标签:

• 光纤通信
• 光纤网络
• 通信系统
• 网络工程
• 信息技术
• 光通信
• 数据传输
• 宽带通信
• 通信工程
• 网络技术

《量子计算的数学基础与算法设计》 内容简介 本书深入探讨了量子计算领域的核心数学原理、关键算法及其在信息科学中的前沿应用。全书旨在为具备扎实线性代数和离散数学基础的研究人员、高年级本科生及研究生提供一本系统、严谨的进阶教材与参考手册。我们力求在理论深度与工程实践之间找到最佳平衡点，确保读者不仅理解“如何操作”，更能洞察“为何有效”。 第一部分：量子力学与信息论的交汇 本部分奠定了量子计算的理论基石，侧重于将抽象的物理概念转化为可操作的数学模型。 第一章：希尔伯特空间与量子态描述 详细阐述了无限维和有限维希尔伯特空间（Hilbert Spaces）的数学结构，包括内积、范数、正交基的构建。重点讲解了量子态（Quantum States）如何通过态矢量（Ket Vectors）和密度矩阵（Density Matrices）来表示。我们引入了狄拉克符号（Dirac Notation）的完备性，并对其在处理叠加态（Superposition）时的优雅性进行了深入剖析。讨论了纯态与混合态的区别，以及如何使用冯·诺依曼熵（von Neumann Entropy）来量化量子信息的纯度。本章特别关注了张量积（Tensor Products）在多量子比特系统建模中的关键作用，这是理解纠缠现象的数学前提。 第二章：量子演化与酉变换 本章聚焦于量子系统的动态行为。量子态的时间演化由薛定谔方程（Schrödinger Equation）支配，对应于酉算符（Unitary Operators）的作用。我们细致分析了酉矩阵的性质，如保持内积不变性和可逆性，并将其与量子计算中的可逆计算原则联系起来。关键部分在于对量子门（Quantum Gates）的系统化梳理，包括单比特门（如Pauli矩阵、Hadamard门）和多比特门（如CNOT、Toffoli门）。通过矩阵乘法，读者将掌握如何构造任意复杂的量子线路，并理解其对量子态的精确操控。此外，本章还引入了量子测量（Quantum Measurement）的数学描述，即投影公设，以及测量后系统状态的概率性坍缩机制。 第三章：量子信息度量与纠缠理论 超越简单的比特概念，本章探讨了量子信息的核心特征——纠缠（Entanglement）。我们从数学上定义了可分离态（Separable States）和纠缠态。重点介绍了贝尔态（Bell States）作为最大纠缠态的典范，以及如何使用纠缠熵（如对约化密度矩阵的熵）来量化纠缠的程度。此外，还引入了量子信息学的基本量度，如量子比特的保真度（Fidelity）、量子相干性（Coherence）的量化方法，为后续的算法分析打下量化基础。 第二部分：核心量子算法的理论构造 本部分是全书的核心，详细推导和分析了当前最具影响力的量子算法的数学机理和计算优势。 第四章：量子傅里叶变换（QFT）及其应用 量子傅里叶变换是许多高效量子算法的基石。本章首先回顾了经典离散傅里叶变换（DFT）的定义，然后推导出其量子版本——QFT的酉矩阵形式。我们详细展示了QFT的电路实现，包括其对角化和门级分解，强调了其指数级的加速潜力。应用方面，本章深入讲解了量子相位估计算法（Quantum Phase Estimation, QPE），将其作为求解特征值问题的通用框架，并解释了QPE在模拟量子系统中的核心地位。 第五章：秀尔算法（Shor's Algorithm）的数论基础 秀尔算法对现代公钥加密体系构成了根本性挑战。本章将算法的成功建立在坚实的数论基础之上。首先回顾了模幂运算的经典实现和计算复杂性。核心在于周期查找问题（Period Finding Problem）。我们详细论述了如何利用QPE（或更直接地，利用QFT）来高效地确定一个函数的周期，进而通过欧拉定理和中国剩余定理，将周期转化为大数的因子。本章的重点在于展示QFT如何巧妙地将模指数运算的难题转化为QPE易于解决的相位估计问题。 第六章：格罗弗算法（Grover's Algorithm）与搜索加速 格罗弗算法提供了非结构化搜索问题的平方加速。本章的数学分析侧重于其振幅放大机制。我们首先定义了搜索空间和目标解的特征向量。然后，详细推导了格罗弗迭代算子（Grover Iteration Operator）的几何意义——它是一个关于“平均向量”的反射操作。通过分析该操作在二维子空间上的作用，读者将清晰地看到振幅如何被系统性地引导向目标态，从而解释了其 $mathcal{O}(sqrt{N})$ 的加速因子。本章也讨论了变体，如多目标搜索的优化。 第七章：绝热量子计算与变分算法 本章探讨了不同于门模型的量子计算范式。绝热量子计算（Adiabatic Quantum Computing, AQC）基于绝热定理，要求系统足够慢地从一个已知基态演化到目标问题的基态。我们利用哈密顿量（Hamiltonian）的数学描述和能级间隙（Energy Gaps）的概念来分析其收敛速度。随后，引入现代混合量子经典计算（Hybrid Quantum-Classical Computing）的前沿框架，特别是变分量子本征求解器（Variational Quantum Eigensolver, VQE）。VQE的数学核心在于利用经典优化器在参数空间中寻找最小化量子目标泛函的参数，本书将细致分析这种“量子-经典”循环的收敛性和稳定性。 第三部分：物理实现、误差控制与前沿展望 本部分将理论模型与现实世界的物理限制相结合，讨论了量子纠错和未来的架构趋势。 第八章：量子纠错码（QECC）的代数结构 为了对抗退相干噪声，量子纠错至关重要。本章从线性代数和群论的角度构建经典和量子汉明码。我们详细介绍了子空间编码的概念，即如何将逻辑量子比特编码到更大的希尔伯特空间中。重点阐述了稳定子码（Stabilizer Codes）的数学描述，包括生成子（Generator）的概念，以及如何通过测量错误算子的特征值（Syndrome Measurement）来识别和定位错误，而又不破坏逻辑信息。Shor码和Steane码的构造将被作为实例深入分析。 第九章：量子电路的优化与可实现性 本章关注如何将高层算法转化为可执行的物理指令。内容包括：门集的完备性（证明只需要有限个非经典门即可实现任意酉变换），线路的编译与优化，例如如何通过消除冗余的CNOT门来最小化T-count。此外，讨论了拓扑量子计算的基本思想，即利用物质的拓扑性质来抵抗局部扰动，这为构建容错量子计算机提供了潜在的物理路径。 第十章：量子机器学习（QML）的数学模型 本章探讨了量子计算在数据科学和机器学习中的新兴交叉领域。我们分析了量子支持向量机（QSVM）和量子神经网络（QNN）的模型结构，强调了量子特征图（Quantum Feature Maps）的构建，即如何将经典数据映射到高维量子希尔伯特空间中，以期获得比经典核方法更强的可分性。讨论了在当前NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）设备上实现这些模型的挑战与机遇。 本书结构严谨，逻辑连贯，通过大量的数学推导和精确的公式论证，确保读者对量子计算的每一核心概念都有深刻的理解。

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我是一名即将毕业的通信工程专业的学生，正在准备我的毕业设计，方向是下一代移动通信网络（如5G/6G）的回传网络。在这个过程中，光纤通信技术无疑是支撑高速、低延迟回传的关键。我需要了解，随着移动通信业务量的指数级增长，光纤网络是如何应对日益增长的带宽需求的？例如，如何利用波分复用（WDM）技术，在同一根光纤上承载更多的数据流？另外，对于移动通信基站的连接，对光网络的时延和抖动有什么特殊的要求？光纤网络又是如何保证这些指标的？我非常希望这本书能够提供关于光网络架构的详细介绍，包括接入网、城域网、长途干线网等不同层次网络的特点和关键技术。特别是，我希望能够了解到光网络是如何与无线接入网进行协同的，以及在5G/6G时代，光纤通信技术需要做出哪些演进才能满足新的业务需求。对于一些更具体的概念，比如PON（无源光网络）在接入网中的应用，以及OTN（光传输网络）在承载各种业务流中的作用，我也非常期待能在书中找到清晰的解释。这本书是否能帮助我构建一个完整的光纤通信知识体系，对我顺利完成毕业设计具有至关重要的意义。

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作为一名对新技术充满好奇的学习者，我一直对光通信的前沿发展非常关注。近年来，相干光通信、硅光技术、以及新的光纤材料（如空芯光纤）等领域取得了令人瞩目的进展。我非常希望《光纤通信系统与网络》这本书能够深入探讨这些前沿技术。例如，相干光通信是如何通过利用光的相位、频率和偏振信息来大幅提升传输容量的？硅光技术又是如何将光通信器件集成到硅芯片上，实现更小巧、更低功耗、更具成本效益的光通信解决方案的？空芯光纤又有哪些独特的优势，能够突破传统光纤的传输瓶颈？我希望这本书不仅能介绍这些技术的原理，还能分析它们在未来光网络发展中的应用前景和潜在影响。同时，我也对软件定义网络（SDN）在光网络中的应用感到好奇。SDN如何能够实现光网络的自动化管理和灵活控制，从而提高网络的效率和响应能力？这本书是否会涉及这些颠覆性的技术变革，并为我打开新的视野，那将是极大的惊喜。

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在工作中，我经常需要处理各种复杂的网络故障，而光纤通信网络是其中一个关键组成部分。我希望能通过学习这本书，掌握系统性的故障分析和排除方法。当出现光信号衰减、信号失真或者网络连接中断时，我应该如何一步步地进行诊断？我需要了解哪些关键的测量参数，比如光功率、光回波损耗、误码率等？这本书是否能提供详细的光网络故障排除流程和工具介绍？例如，如何使用OTDR（光时域反射仪）来定位光纤中的故障点，如何使用光功率计来测量光信号的衰减？我希望这本书不仅能提供理论知识，还能分享一些实际的案例分析，让我能够从中学习到宝贵的经验。另外，对于如何进行预防性维护，以减少潜在的故障发生，这本书是否也有相关的建议？例如，定期的光纤连接检查、环境监测等。我期待这本书能够成为我在光网络故障排除方面的“宝典”，帮助我更快速、更准确地解决工作中遇到的各种问题。

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这本书的封面设计给我一种沉稳而专业的印象，这让我对它内在的内容充满了好感。我一直对信息传输的奥秘感到着迷，而光纤通信无疑是其中最令人惊叹的领域之一。想象一下，光脉冲以接近光速的速度在纤细的玻璃纤维中穿梭，承载着我们日常所需的海量信息，这是多么神奇的景象！然而，我的知识储备在深入探索这个领域时显得有些不足。我遇到的很多设备手册或技术文档，虽然详尽，但往往缺乏足够的背景知识来支撑理解。例如，在调整光功率时，我需要知道不同功率级别对信号质量的影响，以及它与光纤损耗、连接器性能等参数之间的关系。再比如，在处理网络中断问题时，理解光传输网络的冗余机制和快速恢复技术，对于迅速定位故障和恢复业务至关重要。我希望这本书能够系统地介绍光纤通信网络的组成部分，包括光源、探测器、光放大器、光开关等关键器件的功能和原理。同时，我也很想了解不同的光传输技术，如单模光纤和多模光纤的适用场景，以及它们的性能差异。另外，随着网络带宽需求的不断增长，如何提高光纤的传输容量，例如采用更高级的调制技术和复用技术，也是我非常感兴趣的方向。希望这本书能够提供足够的技术细节和实践指导，让我能够更好地应对工作中的挑战，并对这个领域有更深入的认识。

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我最近对光网络的安全问题产生了浓厚的兴趣。随着光纤通信网络的普及，如何保障传输数据的安全和网络的可靠性，变得越来越重要。我希望这本书能够探讨光纤通信网络面临的安全挑战，比如如何防止未经授权的访问、数据窃听或者网络攻击？光网络有哪些机制可以用来抵御这些威胁？例如，我听说过一些关于光层加密和网络冗余的解决方案，不知道这本书是否会涉及这些内容。另外，我也想了解在实际的网络运维中，如何进行有效的安全监控和威胁检测？这本书是否能提供一些关于光网络安全管理的原则和实践？例如，如何对网络中的光端口进行权限管理，如何对异常的光信号进行检测和告警？如果书中还能提到一些关于光网络故障的快速定位和恢复的策略，那对我来说将是锦上添花。毕竟，一个安全可靠的网络，才能真正支撑起我们日益依赖的信息化社会。我对这本书在这方面的探讨，抱有极大的期待。

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最近，我开始关注国家在信息基础设施建设方面的战略规划，其中光纤通信网络是核心支撑。我非常想了解，中国的光纤通信网络是如何发展起来的？从早期的模拟通信到现在的万兆入户，经历了哪些关键的技术突破和政策推动？我希望这本书能够提供一些历史性的视角，帮助我理解中国光纤通信网络发展的脉络。更重要的是，我希望能够了解当前和未来中国光纤通信网络的发展方向和面临的挑战。例如，在“新基建”的浪潮下，千兆光网和5G网络建设的加速，对光纤通信网络提出了哪些新的要求？如何在西部地区、农村地区等相对欠发达地区，构建高质量的光纤通信网络？以及在网络安全、技术自主可控等方面，中国光纤通信行业又有哪些举措？这本书是否能提供这些宏观的视角和深入的分析，从而帮助我更好地理解中国光纤通信行业的发展趋势和未来机遇，我对此抱有浓厚的兴趣。

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拿到《光纤通信系统与网络》这本书，一开始我是被它的书名所吸引。作为一名在通信行业摸爬滚打多年的工程师，我总觉得光纤通信是连接我们现代世界的基石，但对它的底层原理和网络构成，总觉得隔了一层纱。市面上关于光纤通信的书籍并不少，但我发现很多要么过于理论化，要么过于偏重某一特定技术，缺乏一种系统性的梳理。我的目标是找到一本能够让我全面、深入地理解光纤通信从物理层到网络层的全貌的书籍，能够解答我在实际工作中遇到的各种问题，例如为什么同样的传输速率，光纤的传输距离比铜缆要远得多？光信号在传输过程中是如何保持稳定性的？以及构成庞大光纤网络的核心节点和技术又是什么？我相信，只有理解了这些根本性的问题，才能更好地进行系统设计、故障排除和未来技术的发展。这本书的出现，让我看到了希望。我期望它能以一种循序渐进的方式，从最基础的光学原理讲起，逐步深入到光纤的制造、传输特性，再到光信号的调制解调，以及更宏观的光网络架构，如SDH、WDM、OTN等。更重要的是，我希望能了解这些技术是如何协同工作，构建起我们今天所依赖的高速、大容量通信网络的。这本书是否能帮助我填补这些知识空白，或者启发我新的思考方向，是我非常期待的。

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在我负责的某个项目中，我们需要部署一套新的光纤通信系统，用于连接不同地域的工业自动化设备。这套系统需要稳定可靠，并且能够支持实时数据传输。因此，我需要对光纤通信系统的整体性能有深入的了解，包括其信噪比、误码率、传输效率等关键指标。更重要的是，我需要知道如何根据具体的应用场景来选择合适的光纤类型、光源波长、调制方式以及传输速率。比如，对于需要长距离传输的应用，我们可能需要考虑低损耗的光纤和高效的光放大器。对于需要高实时性的应用，我们可能需要关注如何降低系统的时延和抖动。这本书是否能够提供关于光纤通信系统设计和优化的详细指导？我希望它能包含如何进行系统链路预算分析，如何评估和选择不同类型的光器件，以及如何根据实际需求来配置和优化网络参数。另外，对于工业环境中的电磁干扰、温度变化等因素对光纤通信系统的影响，以及如何采取相应的防护措施，如果书中有所提及，那将对我非常有帮助。我相信，通过学习这本书，我能够更自信地设计和部署一套满足项目需求的、高性能的光纤通信系统。

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我最近在研究数据中心互联（DCI）方面的工作，而光纤通信正是其中的核心技术。在设计和优化数据中心之间的连接时，我需要深刻理解不同类型光模块（如SFP, QSFP）的性能参数，以及它们与不同速率和传输距离的匹配关系。同时，如何在高密度环境下实现低功耗、高可靠性的光传输，也是一个重要的课题。我发现，许多关于DCI的讨论都离不开对光纤传输的深入理解，包括光纤的色散、非线性效应以及如何通过技术手段来补偿这些效应。这本书是否能提供这方面的内容，是我非常关心的一点。我希望它能详细阐述光纤的物理特性如何影响信号传输的质量，例如瑞利散射、吸收损耗、模式色散、偏振模色散等。此外，我也想了解一些先进的传输技术，如相干光通信，以及它们在提升传输容量和距离方面所扮演的角色。对于一些实际应用中的挑战，例如光纤的连接、熔接技术，以及光缆的敷设和保护，如果也能有所涉及，那就更好了。总之，我希望这本书能够成为我在数据中心互联领域进行技术攻坚的有力助手，为我提供坚实理论基础和实用的技术参考。

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我是一名有着多年硬件开发经验的工程师，现在开始接触光通信的系统集成工作。我发现，理解光纤通信的各个组成部分之间的相互作用和接口规范，对于成功集成至关重要。我需要知道，不同厂商、不同类型的光模块（如收发一体模块、光转发器）是如何进行接口定义的？它们在信号格式、电接口和光接口上有什么标准？光网络中的管理和监控接口（如SNMP, NETCONF）又是如何工作的？这本书是否能提供这方面的详细技术规范和实践指南？例如，我需要了解光信号是如何在光网络单元（ONU）、光线路终端（OLT）以及光放大器之间进行传输和处理的。同时，对于光纤接入网（如GPON, EPON）和城域网（如Metro Ethernet）中的各种设备和协议，我希望能够获得清晰的解释，了解它们是如何协同工作的。这本书是否能帮助我理解这些复杂的接口和协议，使我能够更有效地进行光通信系统的集成和调试，从而顺利完成我当前的项目任务。

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