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出版者:World Scientific Publishing Company

作者:G Ali Mansoori

出品人:

页数:341

译者:

出版时间:2005-3-7

价格:USD 61.00

装帧:Paperback

isbn号码:9789812562050

丛书系列:

图书标签:

• Matter
• Condensed
• 纳米技术
• 纳米科学
• 材料科学
• 物理学
• 化学
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• 科学
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• 前沿科技

《量子计算与信息理论前沿》 一本深度剖析超越经典范式的计算基石与信息处理新范式的专著 作者： 著名理论物理学家与信息科学家联合撰写 出版社： 权威学术出版社 开本： 精装，16开 页数： 约 750 页 定价： 略高于行业平均水平，反映其内容的深度与前沿性 --- 内容提要： 本书并非对现有材料科学或工程技术的简单回顾，而是聚焦于信息处理的根本极限与未来形态，全面深入地探讨了量子信息科学的理论框架、数学基础及其在计算、通信和传感领域蕴含的颠覆性潜力。全书以严谨的物理学原理为根基，以先进的数学工具为支撑，系统梳理了从量子力学基本公设到复杂量子算法设计的完整知识体系。 本书旨在为高年级本科生、研究生、以及致力于量子技术研发的科研人员提供一份详尽、连贯且富有洞察力的参考指南。它强调理论的深度挖掘，而非工程实现的细节堆砌，旨在培养读者对量子现象背后深层逻辑的理解能力。 --- 章节结构与核心内容（共十二章）： 第一部分：量子信息论的数学与物理基石 (Foundations) 第一章：复数希尔伯特空间与算符代数 (Complex Hilbert Spaces and Operator Algebra) 本章奠定了量子力学的数学语言。详细阐述了有限维和无限维希尔伯特空间的构造、狄拉克符号的严格定义，以及线性算符（如哈密顿量、角动量算符）在这些空间中的表示。重点剖析了自伴随算符（观测量的对应物）的谱理论及其物理意义，为后续处理量子态的演化和测量过程做好理论铺垫。 第二章：量子态的描述与密度矩阵理论 (Quantum State Description and Density Matrix Theory) 超越了纯态（矢量表示）的范畴，本章深入探讨了混合态（不可避免地存在于开放系统中）的描述工具——密度矩阵。详细介绍了密度矩阵的性质（厄米性、迹为一、半正定性），以及如何利用密度矩阵来量化系统的纠缠程度。引入了冯·诺依曼熵（Von Neumann Entropy）作为衡量信息不确定性的核心指标。 第三章：量子演化与李群/李代数 (Quantum Evolution and Lie Groups/Algebras) 本章将量子力学的动力学描述提升到群论的高度。阐述了薛定谔方程的积分形式，并将其与时间演化算符 $U(t) = exp(-iHt/hbar)$ 联系起来。重点解析了$SU(2)$和$SU(3)$群在描述自旋和粒子对称性中的核心作用，并讨论了李代数如何作为理解连续对称性的关键工具。 第四章：量子测量理论与操作 (Quantum Measurement Theory and Operations) 本章是对经典信息论中信息提取过程的根本性修正。详细分析了波恩定则（Born Rule）的精确表述，区分了投影测量（Projective Measurement）和弱测量（Weak Measurement）。引入了量子操作的数学框架——量子通道（Quantum Channels），使用超算子（Superoperators）来描述信息随时间或与环境的不可逆交互，这是理解退相干（Decoherence）的起点。 --- 第二部分：量子纠缠与不可克隆性 (Entanglement and Impossibility) 第五章：纠缠的量化与判定 (Quantification and Criterion for Entanglement) 本章是全书的理论核心之一。着重介绍了纠缠的概念，区分了 EPR 悖论的哲学意涵与贝尔不等式（Bell Inequalities）的实验检验。详细推导了定性（如 Peres-Horodecki 判据）和定量（如纠缠熵、纠缠活力度）的纠缠度量方法，并讨论了可分离态（Separable States）的特性。 第六章：不可克隆定理及其深远影响 (The No-Cloning Theorem and Its Implications) 本章严谨地证明了通用的量子态不可克隆定理，并探讨了该定理对密码学和量子通信协议设计的约束。引入了奇迹定理（Ancilla Theorems），阐述了如何通过引入辅助系统（Ancilla）来“模拟”某些复杂操作（如克隆Bell态或实现量子隐形传态）。 第七章：量子熵、互信息与噪声信道 (Quantum Entropy, Mutual Information, and Noisy Channels) 本章将信息论与量子物理紧密结合。定义了量子互信息（Quantum Mutual Information）和条件熵，并探讨了在存在噪声的情况下，量子信道如何影响信息的传输容量。这是为后续的量子信道容量研究打下理论基础。 --- 第三部分：量子计算模型与算法 (Quantum Computation Models and Algorithms) 第八章：量子线路模型与通用量子计算机 (Quantum Circuit Model and Universal Quantum Computation) 本章是计算层面的核心。详细描述了量子比特（Qubit）的操控，并介绍了单比特和双比特的通用门集（如Hadamard, Phase, CNOT）。分析了量子线路图的设计原则，并论证了Clifford+T 门集的通用性，以及如何利用非酉演化（如测量反馈）来构建更高效的计算路径。 第九章：关键量子算法的深度解析 (In-Depth Analysis of Key Quantum Algorithms) 本章超越了算法名称的罗列，专注于其背后的加速机制。 1. Shor 算法： 详细分解了其核心——量子傅里叶变换（QFT）的构造，以及如何利用周期寻找（Period Finding）来破解大数因子分解的经典难题。 2. Grover 算法： 深入探讨了振幅放大（Amplitude Amplification）技术，分析其在无结构搜索中的平方加速优势，并讨论了其推广形式。 3. 量子模拟算法： 重点讨论了Trotter-Suzuki分解法在模拟哈密顿量演化中的应用和误差分析。 第十章：变分量子本征求解器 (Variational Quantum Eigensolver, VQE) 本章聚焦于当前噪声中等规模量子（NISQ）设备上最实用的混合量子-经典方法。详细介绍了VQE的迭代流程、Ansatz态的选择、能量梯度的估计方法（如参数移位规则），及其在化学计算中的应用前景与局限性。 --- 第四部分：高级应用与未来展望 (Advanced Topics and Perspectives) 第十一章：量子纠错码的代数结构 (Algebraic Structure of Quantum Error-Correcting Codes) 本章探讨如何保护脆弱的量子信息免受环境噪声干扰。系统介绍了经典汉明码（Hamming Codes）的量子推广，重点解析了表面码（Surface Codes）的拓扑特性和阈值，以及它们在实现容错量子计算（Fault-Tolerant Quantum Computation, FTQC）中的关键地位。讨论了稳定子理论（Stabilizer Formalism）的应用。 第十二章：量子信息处理的前沿交叉领域 (Frontiers in Quantum Information Processing) 本章展望了更具推测性但极具影响力的领域： 1. 热力学与量子信息： 探讨了朗道尔原理（Landauer's Principle）的量子版本，以及信息擦除过程中的能量耗散极限。 2. 引力与信息： 简要讨论了AdS/CFT对应关系中信息论工具（如相对熵）在理解黑洞信息悖论中的潜在角色。 3. 拓扑量子计算的理论基础： 介绍了非阿贝尔任意子（Non-Abelian Anyons）的概念及其作为实现本质上容错计算的理论路径。 --- 读者定位： 本书要求读者具备扎实的线性代数、微积分以及基础量子力学（如波函数、薛定谔方程）的知识背景。它非常适合作为量子信息科学、理论物理、或先进计算机科学专业研究生的核心教材或参考书。对于希望从经典计算思维模式过渡到基于概率与干涉原理的全新范式的研究人员，本书提供了所需的全部理论深度。本书的叙述风格精确、推导详尽，旨在构建一个无可辩驳的理论高地。

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说实话，我很少看到一本技术类书籍能把“工程伦理”和“实际应用”的篇幅安排得如此恰到好处。很多教科书要么是纯理论的堆砌，要么就是过度美化实验室里的成功案例。但《Principles of Nanotechnology》展现出了一种难得的老练和审慎。它不仅详尽地介绍了如何合成和表征纳米材料——那些关于自组装、化学气相沉积等技术的描述，详尽到足以让一个初级研究生立刻上手操作——更重要的是，它花了大篇幅讨论了这些技术在生物医学、能源存储以及环境治理中的双刃剑效应。特别是关于纳米毒理学的章节，那种对潜在风险的坦诚讨论，而不是一味地鼓吹“纳米万能论”，让我对作者的专业素养和责任感油然而生敬佩。它教给我的不仅仅是“如何做”，更是“为什么做”以及“做的时候需要顾虑什么”。这本书的价值，已经超越了一本纯粹的技术手册，更像是一位经验丰富的导师在耳边低语，引导你走在正确的道路上。

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从内容深度的广度来看，这本书的野心是相当宏大的，它试图在一个相对集中的篇幅内，勾勒出整个纳米科学的版图。我特别欣赏它对“跨学科”的强调。很多纳米书要么偏向物理，要么偏向化学合成，导致读者对另一侧的理解存在盲区。但《Principles of Nanotechnology》在这方面做得非常平衡。它对量子点（Quantum Dots）的讨论，既深入到其晶格结构和表面钝化的化学细节，也毫不避讳地探讨了它们在光电器件中的载流子传输机制和能级匹配问题。这种无缝切换于不同学科视角的能力，要求作者本身具备极高的综合素养，同时也极大地帮助了我们这些读者，让我们能够以一种更整体的、更系统的方式去理解这个复杂的交叉学科领域。阅读过程中，我感觉自己不再是孤立地学习物理或化学，而是真正地在理解“纳米现象”这一整体。

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这本《纳米技术原理》简直是为那些渴望深入理解这个微观世界，却又担心被晦涩的物理公式和复杂的化学结构吓倒的读者量身定制的。我必须承认，在拿起这本书之前，我对“纳米”的理解还停留在科幻电影里那种漂浮的微小机器人阶段。但这本书的叙事方式，用一种近乎讲故事的口吻，将那些抽象的概念变得生动起来。它没有急于抛出那些令人头疼的薛定谔方程，而是从宏观世界与微观世界的交界处入手，一步步引导读者进入那个尺度上物质行为发生奇妙转变的领域。尤其让我印象深刻的是它对量子限制效应的阐述，作者似乎深谙如何用最直观的类比来解释这种“尺寸决定性质”的根本性变化，比如通过对光的吸收和发射特性的改变，来解释为什么金纳米颗粒可以是红色的而不是金色的。这种由浅入深，层层递进的结构，让学习过程充满了探索的乐趣，而不是枯燥的记忆。它成功地搭建了一座坚实的桥梁，连接了基础科学原理与前沿应用之间的鸿沟，让人在读完之后，对未来科技的无限可能充满了敬畏。

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我必须指出，这本书的检索系统和索引部分做得非常专业和人性化。这对于一本涵盖范围如此之广的参考书来说至关重要。很多时候，当你需要快速回顾某个特定概念——比如，某个特定温度下的“蓝光发射阈值”或者“模板辅助生长”的具体条件时，厚重的索引往往让你望而却步。这本书的术语表做得极其详尽，它不仅列出了核心的定义，还附带了该术语在书中首次出现的页码，以及一个简短的上下文提示，这简直是为高效复习节省了大量时间。此外，书后的“进一步阅读推荐”列表也非常有价值，它没有简单地罗列经典文献，而是根据不同的技术分支，推荐了最新的综述性文章和具有里程碑意义的实验报告，这显示出编纂者不仅关注知识的传授，更关注引导读者持续学习和追踪前沿动态的路径。对于一个需要经常查阅资料的研究人员来说，这种细节的关注，直接决定了一本书的实用价值上限。

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这本书的排版和图示设计简直是教科书级别的典范。我翻阅过许多同行领域的书籍，常常发现那些复杂的晶体结构图、能带结构图或者电子显微镜照片总是被印得模糊不清，或者被塞进一个尴尬的角落，让人不得不戴上放大镜才能看清细节。然而，在《Principles of Nanotechnology》中，每一张插图似乎都经过了精心挑选和布局。色彩的运用非常克制但有效，关键的物理边界和电子云分布都被清晰地标记出来，即便是那些展示不同刻蚀技术侧重点的流程图，也保持了极高的视觉清晰度。更让我赞赏的一点是，它在关键概念旁边设置了“案例回顾”的小方框，这些小方框里往往引用了最近五年内发表于顶级期刊的突破性研究，并且用极其精炼的语言总结了该研究的创新点，这极大地拓宽了我的视野，让我知道书本上的理论是如何在现实世界中快速迭代和发展的。对于那些需要大量视觉辅助来理解抽象概念的学习者来说，这本书简直是福音。

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