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出版者:清华大学

作者:史令

出品人:

页数:330

译者:

出版时间:2007-11

价格:29.50元

装帧:

isbn号码:9787302161608

丛书系列:

图书标签:

• 数据库
• 数据库技术
• 数据库应用
• SQL
• 数据管理
• 数据分析
• 数据存储
• 信息技术
• 计算机科学
• 编程

《量子信息论基础与前沿》 内容概要 本书系统阐述了量子信息科学的核心理论框架、关键技术及其在计算、通信和测量领域的最新发展与未来趋势。全书共分为六大部分，力求在深度与广度上达到一个平衡，既能为初学者打下坚实的理论基础，也能为研究人员提供深入探索的方向。 第一部分：量子力学基本原理回顾与信息论视角 本部分将从信息论的角度重新审视量子力学的基本公设。内容涵盖量子态的数学描述（希尔伯特空间、密度算符），演化动力学（薛定谔方程、冯·诺依曼方程），以及关键的测量过程（投影公设、测量对态的影响）。重点讲解了量子比特（Qubit）的概念，它是量子信息处理的基本单元，并与经典比特进行清晰的对比，阐述了量子叠加态和量子纠缠的本质区别及其信息容量的差异。此外，本部分还会回顾信息熵的经典定义，引入冯·诺依曼熵，用以量化量子系统的不可区分性，为后续的量子信息度量奠定基础。 第二部分：量子信息处理的数学工具箱 本章是理解高级量子算法和协议的基石。详细介绍了群论和线性代数在量子计算中的应用，特别是酉变换（Unitary Transformations）在量子线路中的核心地位。着重讲解了量子逻辑门的构建，包括单比特门（泡利门、Hadamard门）和多比特门（如CNOT门，它是实现量子纠缠的关键）。对张量积在描述多体系统状态中的应用进行了详尽的阐述。此外，本部分还引入了密度矩阵代数和李括号等工具，用以分析开放量子系统的演化和退相干效应。对量子信息中的不可克隆定理（No-Cloning Theorem）及其物理意义进行了深入的探讨。 第三部分：量子计算的理论基石 本部分聚焦于量子计算的强大潜力及其实现机制。详细介绍了量子电路模型，并阐述了通用量子计算的可能性——即单比特门和CNOT门的集合足以实现任何酉演化。系统性地剖析了几个标志性的量子算法： Shor算法： 详细解析了其基于量子傅里叶变换（QFT）的因式分解原理，并探讨了其对现有公钥加密体系的颠覆性影响。 Grover算法： 阐述了如何利用振幅放大技术实现对无序数据库的二次加速搜索，并分析了其适用范围和局限性。 量子模拟（Quantum Simulation）： 讨论了如何利用量子计算机来模拟复杂的物理、化学系统，包括哈密顿量演化和费曼路径积分的量子版本。 本章同时会探讨量子计算的复杂性类别，如BQP（有界误差量子多项式时间），并将其与经典复杂性类别P、NP进行比较。 第四部分：量子通信与量子密钥分发（QKD） 本部分将视角转向信息的安全传输。核心内容是量子密钥分发，特别是BB84协议和Ekert91协议的详细工作流程、安全证明及其技术实现细节。强调了量子不可克隆定理如何为QKD提供信息论上的安全保障。随后，深入探讨了量子隐形传态（Quantum Teleportation）的原理，它并非传输物质或能量，而是利用纠缠态和经典信道实现量子态的精确转移。本部分还会介绍量子纠错码（Quantum Error Correction, QEC），特别是表面码（Surface Code）和Steane码，用以对抗环境噪声和退相干对量子信息存储和传输的破坏。 第五部分：开放量子系统与退相干 本章探讨了真实世界中量子系统无法完全孤立所面临的挑战。系统性地介绍了开放量子系统的描述框架，如Lindblad主方程和量子态演化矩阵（CPTP映射）。重点分析了退相干（Decoherence）的物理机制，包括退磁、弛豫和去相位，阐述了退相干如何导致量子叠加态“坍缩”为经典混合态，并评估了其对量子计算和存储的限制。本部分会展示几种主要的抗退相干策略，包括动态解耦（Dynamical Decoupling）和环境辅助量子计算（AQC）。 第六部分：前沿研究方向与工程实现挑战 最后一部分展望了量子信息科学的未来发展和工程实践中的核心难题。 量子硬件平台比较： 详细对比了超导电路、离子阱、中性原子、拓扑量子比特等主流硬件方案的优缺点，包括相干时间、门保真度、可扩展性等关键指标。 容错量子计算（Fault-Tolerant Quantum Computing, FTQC）： 探讨了如何通过构建逻辑量子比特来克服物理量子比特的固有缺陷，并讨论了容错阈值和逻辑门集的实现。 后量子密码学（Post-Quantum Cryptography, PQC）： 鉴于量子计算机对现有加密体系的威胁，本章将简要介绍基于格、编码、哈希等数学难题的抗量子攻击的经典密码学方案，作为量子信息安全生态的必要补充。 本书旨在为读者提供一个全面、深入且与时俱进的量子信息世界地图。

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这本书的文字风格，说实话，初看起来有点“冷峻”，但一旦你适应了那种严谨的学术腔调，就会发现它背后蕴含着强大的逻辑力量。它不太迎合初学者的“快速入门”需求，更像是对一个已经有一定基础的工程师发出的邀请函——邀请你来挑战思维的深度。我尤其欣赏作者在阐述关系代数和SQL查询优化器原理时所采用的叙事方式。它没有直接跳到复杂的查询优化规则，而是先花了相当大的篇幅来解释为什么“嵌套循环连接”在某些特定场景下会比“哈希连接”更高效，这需要读者对数据访问路径有非常清晰的认知。书中对索引选择性（Selectivity）的讨论，细致到让人拍案叫绝，它不仅解释了基数（Cardinality）的重要性，还用图表清晰地展示了不同数据分布下索引失效的临界点。读完这一章节，我立即回去检查了我负责维护的那个老旧系统的几个关键查询，果然找到了性能优化的突破口。这本书的价值，不在于教你写出最快的SQL语句，而在于让你理解“为什么”这个语句会慢，以及“如何”从底层原理上去干预这个过程，这种由内而外的掌控感，是其他轻量级读物无法给予的。

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这本书的附加价值在于它对“工程伦理”和“设计哲学”的探讨，这部分内容在技术书籍中是相当罕见的亮点。在最后几章，作者开始探讨数据库设计中的“反模式”（Anti-Patterns）以及如何构建高可用架构的底层思维。它没有直接给出配置指南，而是深入剖析了为什么某些流行的设计选择（比如过度范式化或不恰当的冗余）会在系统规模扩大后成为性能的致命伤。这种从“如何做”上升到“为何要这么做”的哲学思辨，让我对自己的日常开发工作有了更深层次的反思。比如，书中关于数据迁移和模式演进的章节，不再是枯燥的SQL DDL语句罗列，而是像在讲述一个关于系统演化的历史故事，强调了“零停机时间”目标下的每一步决策的重量。这本书的作者显然拥有丰富的系统运维和架构经验，他们提供的建议是经过无数次线上故障洗礼的结晶，其价值远超教材本身的知识点集合，更像是一份指导未来职业成长的路线图。

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这本书的排版和图示设计，简直是艺术品级别的存在。坦白说，很多技术书籍的插图都是为了插图而插图，要么是过分简化的方框图，要么是密密麻麻看不懂的流程图。但这本书不同，它的每一张图，尤其是关于分布式事务一致性协议（比如Paxos或Raft的简化模型展示）的示意图，都经过了深思熟虑。它们不是简单的复制粘贴，而是针对书本中特定概念量身定制的。举个例子，在讲解MVCC（多版本并发控制）时，作者没有仅仅画出读写锁的冲突，而是用时间轴上的快照版本来直观展示不同事务看到的数据状态，这种可视化处理，一下子就将抽象的并发控制模型具象化了。而且，章节之间的过渡非常流畅，作者似乎非常擅长使用小小的引言或者总结性的过渡句，把上一个知识点的“遗留问题”自然地引向下一个知识点的“解决方案”。这使得我阅读时很少感到“跳跃感”，仿佛是在跟随一位经验丰富的向导，穿越一片逻辑严密的森林。对于需要长期研读的技术书籍来说，这种阅读体验的舒适度，直接决定了你能坚持多久。

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哎呀，这本书的封面设计真是一股清流，那种沉稳的深蓝色调，配上简洁的白色字体，一看就知道是那种能沉下心来啃的硬货。我拿到手的时候，那种厚实的纸张触感，让我对即将展开的知识海洋充满了敬畏。我本来以为《深入理解计算机系统》这类书已经够烧脑了，没想到这本书在结构布局上更是别具一格。它不像市面上很多教材那样，把概念堆砌得密不透风，而是巧妙地将理论与实践的脉络梳理得井井有条。比如，它对B树和B+树的讲解，简直是教科书级别的示范，作者没有直接抛出复杂的算法推导，而是通过一个生动的图书馆索引系统的比喻，让我瞬间明白了为什么在磁盘I/O效率至关重要的数据库存储中，非平衡树结构反而成了首选。读到后面关于事务并发控制的部分，那种对锁粒度和隔离级别深入剖析的细腻程度，让我忍不住停下来，回溯前面关于ACID特性的定义，这种层层递进的阅读体验，远超我的预期。而且，书中那些精心挑选的案例，都不是那种脱离实际的“玩具”例子，而是非常贴近企业级应用中可能遇到的性能瓶颈和数据一致性挑战，让我感觉手里捧着的不是一本书，而是一个资深架构师的经验总结。

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我发现这本书在介绍新兴技术领域时，态度异常的审慎和务实，这让我对它的专业性更加信服。例如，在谈及NoSQL数据库的崛起时，作者并没有像某些追逐潮流的书籍那样，将关系型数据库贬低得一无是处。相反，它用非常平衡的视角，对比了文档型、键值型和图数据库的适用场景，并着重分析了“最终一致性”模型所带来的工程挑战和数据治理难度。这种不偏不倚的分析，远比单纯的鼓吹新潮技术更有价值。特别是在讨论数据仓库与OLAP技术栈时，书中对列式存储和行式存储的性能差异进行了细致的量化分析，甚至提到了最新的向量化执行引擎的一些基本原理。这表明作者群体对行业前沿的把握是紧跟时代的，他们不是在重复十年前的知识，而是在总结当下主流生产环境中的最佳实践。读完这部分，我最大的收获是，技术选型从来不是零和博弈，而是基于特定业务需求和成本约束的权衡艺术。

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