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出版者:浙江大学

作者:傅宝玉

出品人:

页数:286

译者:

出版时间:2007-5

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787308054010

丛书系列:

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《量子计算导论：原理、算法与未来展望》 图书简介 本书旨在为对量子计算这一前沿科学领域感兴趣的读者提供一个全面、深入且易于理解的入门指南。我们深知，在信息爆炸的时代，掌握下一代计算范式的重要性，因此本书专注于剖析量子计算的底层物理原理、核心数学框架、关键算法设计，并探讨其在不同学科领域的潜在应用与挑战。 第一部分：量子力学基础与计算模型 本部分内容将为读者搭建理解量子计算所需的物理和数学基石。我们不会仅仅停留在概念层面，而是深入探讨支撑量子计算的物理现象。 第一章：经典计算的局限与量子计算的兴起 本章首先回顾图灵机模型和冯·诺依曼架构的经典计算范式，重点剖析在处理特定复杂问题（如大数因子分解、复杂分子模拟）时，经典计算机所面临的指数级时间复杂度瓶颈。随后，引入量子力学的基本公设，解释概率幅、波函数坍缩等核心概念。重点阐述宏观世界与微观世界在信息处理上的根本差异，为引入量子比特（Qubit）做铺垫。 第二章：量子比特的数学描述与状态空间 详细介绍量子比特的数学表示，即使用二维复向量空间 $mathbb{C}^2$ 来描述，并引入狄拉克符号（Bra-ket notation）。深入解析叠加态的物理意义，即一个量子比特可以同时处于 $|0 angle$ 和 $|1 angle$ 状态的叠加，并量化其概率幅。讨论量子态的度量、测量坍缩过程的概率解释，以及如何利用布洛赫球（Bloch Sphere）直观地表示单量子比特的状态。此外，本章还会涉及量子信息中的重要概念——量子态的纯度与混合态的区别。 第三章：多量子比特系统与量子纠缠 将视角从单个量子比特扩展到多个量子比特系统。介绍张量积在描述多量子比特状态中的应用，阐明 $N$ 个量子比特系统具有 $2^N$ 维的希尔伯特空间，这正是量子计算强大并行性的来源。本章的核心内容是量子纠缠（Entanglement）。我们将详细解释纠缠态的定义（如贝尔态），阐述纠缠这一“鬼魅般的超距作用”如何超越经典关联，并强调它是许多量子算法和量子通信协议的关键资源。我们将通过计算和实例展示纠缠态的非定域性。 第四章：量子门与量子线路 量子计算通过一系列可逆的酉矩阵操作（即量子门）对量子态进行演化。本部分将系统梳理基本量子门集。详细介绍单比特门，如泡利矩阵（$X, Y, Z$ 门）、Hadamard 门（$H$ 门）及其在产生叠加态中的关键作用。重点阐述双比特门，尤其是受控非门（CNOT 门），说明其如何在不同量子比特间传递信息并产生纠缠。最后，介绍如何利用通用量子门集（如 $H, T, CNOT$）来构建任意的量子线路，并讨论线路的深度与效率问题。 第二部分：核心量子算法与实现机制 本部分将聚焦于那些展示出超越经典计算能力的标志性量子算法，并探讨实现这些算法所需的硬件和软件环境。 第五章：量子傅里叶变换（QFT）与相位估计 量子傅里叶变换是许多高级量子算法的基础。本章首先从经典离散傅里叶变换（DFT）出发，引入量子傅里叶变换（QFT）的定义及其指数级的加速优势。随后，深入讲解量子相位估计（Quantum Phase Estimation, QPE）算法。QPE 是 Shor 算法等分解算法中的核心子程序，本章将详细推导 QPE 的工作原理，阐述如何利用 QPE 确定酉算子在特定特征向量上的特征值（即相位）。 第六章：Shor 算法：大数分解的革命 本章详细剖析 Shor 算法的完整流程，它被誉为量子计算的“杀手级应用”。我们将分解 Shor 算法的两个主要部分：首先，如何将周期查找问题转化为量子系统中的周期性问题；其次，如何利用 QPE 算法高效地找到这个周期。本章会提供清晰的数学推导和线路结构图，说明 Shor 算法如何实现对大数进行多项式时间内的因子分解，从而对现代公钥加密体系（如 RSA）构成根本性威胁。 第七章：Grover 算法：无序搜索的加速 讨论 Grover 算法，该算法针对无结构数据库或无限制搜索问题，提供平方级的加速。本章将解释 Grover 迭代的核心——振幅放大（Amplitude Amplification）技术。通过几何直观（在二维子空间中旋转）和代数推导，展示算法如何通过反复应用扩散算子和反射算子，将目标解的概率幅逐渐放大，直到测量时以高概率获得正确答案。 第八章：变分量子本征求解器（VQE）与其他混合算法 随着当前含噪中等规模量子（NISQ）硬件的出现，本章转向讨论混合量子-经典算法。重点介绍变分量子本征求解器（VQE），该算法广泛应用于量子化学模拟。解释 VQE 的迭代过程：在经典计算机上优化参数，在量子计算机上制备含参量子线路（Ansatz）并测量期望值。讨论其他重要的混合算法如 QAOA（量子近似优化算法），并分析 NISQ 时代的机遇与挑战。 第三部分：前沿应用、硬件实现与未来挑战 本部分将讨论量子计算在科学研究中的实际落地，以及实现通用容错量子计算机所面临的工程难题。 第九章：量子模拟与材料科学 深入探讨量子计算在模拟其他复杂量子系统方面的独特优势，这正是费曼最初提出量子计算思想的初衷。重点分析如何使用量子线路来模拟分子哈密顿量，计算基态能量。讨论当前在模拟费米子系统（如电子行为）和玻色子系统时采用的不同编码方法（如 Jordan-Wigner 变换）。 第十章：量子计算的硬件实现路线 本章概述当前主流的量子硬件平台及其技术特点、优势与局限性。详细介绍基于超导电路（如 Transmon Qubits）的技术，如谷歌和IBM的实现；基于离子阱（Trapped Ions）的精确控制方案；以及新兴技术如拓扑量子比特、光量子计算和中性原子阵列。强调实现高质量量子比特所必需的相干时间和门保真度指标。 第十一章：量子纠错与容错计算 讨论在实际物理系统中，量子态极易受到环境噪声（退相干）的影响。本章介绍量子纠错（Quantum Error Correction, QEC）的基本原理，解释为什么经典纠错码不能直接应用于量子态。深入讲解表面码（Surface Code）等主要的 QEC 方案，阐述如何将逻辑量子比特编码到多个物理量子比特中，从而实现对抗噪声的容错计算。讨论达到容错水平所需的物理量子比特数量与连接性要求。 结论：展望与伦理考量 总结量子计算的当前状态，强调从 NISQ 时代迈向通用容错量子计算机的漫长道路。最后，对量子计算可能对密码学安全、人工智能发展以及数据隐私等方面带来的深远社会和伦理影响进行探讨。 本书适合具备微积分、线性代数基础，对计算机科学或物理学有基本了解的本科生、研究生以及专业研究人员阅读。通过阅读本书，读者将不仅掌握量子计算的理论框架，还能对这一颠覆性技术的前景和挑战有一个清晰而深刻的认识。

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我拿到这本书的时候，最先翻看的是关于故障诊断的那一章节。说实话，我对电脑维修一直抱有敬畏之心，总觉得那是一门需要天赋的玄学。然而，这本书的排版和叙述方式彻底颠覆了我的看法。作者似乎非常懂得读者的焦虑，他没有直接给出复杂的电路图分析，而是首先建立了一套清晰的“症状-排查路径”的逻辑树。比如，当系统无法启动时，书中会先引导你检查最常见的电源问题，然后逐步深入到内存自检、BIOS设置，每一步都有明确的测试方法和预期的结果反馈。这种系统化的排查流程，极大地增强了我的信心。我甚至根据书中的建议，自己动手解决了我电脑上一个困扰已久的间歇性蓝屏问题，那种成就感是看别人操作视频完全无法比拟的。这本书的价值在于，它把看似高深的维修技术，拆解成了可执行、可验证的步骤，真正赋能了普通用户。

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让我印象特别深刻的是书中关于工具使用的那一部分。很多参考资料在提到工具时，只会简单地列出名称，比如“使用十字螺丝刀”。但这本书不同，它非常细致地解释了不同规格螺丝刀（PH00, PH0, PH1）的使用场景，甚至连防静电手环的正确佩戴位置和工作原理都做了详细的配图说明。这种对细节的偏执，体现了作者对“安全”和“专业”二字的极致追求。我过去总以为随便拿一把工具就能搞定，看了这一章才意识到，不规范的操作不仅可能损坏昂贵的硬件，甚至可能对操作者自身造成伤害。书中对工作环境的描述，比如如何设置一个干净、光线充足的工作台，看似是枝节末节，实则构筑了高效、安全维修的基础框架。它教会我的，不仅是如何组装，更是一种严谨的工匠精神。

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从整体的编排结构来看，这本书的逻辑递进非常顺畅，从基础的原理认知，到具体部件的拆卸与安装，再到最后的系统集成与性能调校，形成了一个完整的知识体系。我尤其欣赏它在介绍不同硬件代际更迭时所展现出的洞察力，比如对PCIe通道带宽演变的分析，是如何直接影响显卡和高速SSD性能的，这些联系非常紧密。这本书不是那种读完一遍就可以束之高阁的参考书，它更像是技术人员工具箱里的一把多功能瑞士军刀，你需要的时候随时可以翻阅到你需要的模块。我甚至把它放在了我的工作桌上，遇到任何关于硬件兼容性或者安装顺序的疑问时，它总能提供一个清晰、权威的解答，极大地提高了我的工作效率。它成功地将晦涩的技术语言，转化为人人可理解的操作指南。

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这本书的语言风格极其接地气，读起来完全没有那种传统技术手册的枯燥感。作者的文字像是一位经验丰富的老技师在耐心指导你，时不时还会穿插一些行业内的“小道消息”或者避坑指南。比如，在谈到固态硬盘的选购时，作者不仅分析了主控和缓存的重要性，还幽默地提到了市场上某些虚标容量产品的识别技巧，这些内容是标准教材里绝对不会有的。更让我惊喜的是，书中对操作系统级别的维护和优化也有涉猎，比如如何正确地管理系统服务、如何清理冗余驱动文件，这些软性的知识点与硬体的拆装和调试形成了一个完美的闭环。它让我明白，维护一台计算机，绝不仅仅是拧螺丝换零件那么简单，更需要对软件生态有深刻的理解和精细化的管理能力。

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这本书的封面设计给我一种非常专业、严谨的感觉，那种深邃的蓝色调和清晰的字体排版，一下子就抓住了我的眼球。我本来对硬件了解不多，但光是看着目录，那些关于CPU架构、内存颗粒、主板芯片组的介绍，就让我觉得这绝对是一本能把我从“小白”拉到“入门”的实战指南。特别是它对不同时代硬件特性的对比分析，不像有些教科书那样干巴巴地堆砌参数，而是融入了很多历史的眼光，让人在学习技术的同时，也对整个计算机行业的发展脉络有了更深的理解。我特别欣赏作者在介绍各种接口规范时那种庖丁解牛般的细致，从最基础的针脚定义到复杂的信号时序，讲解得条理清晰，即便是初次接触这些概念的人，也能通过图文并茂的方式迅速抓住重点。这本书不仅仅是告诉你“怎么做”，更重要的是解释了“为什么会是这样”，这种深入底层逻辑的讲解方式，着实让我受益匪浅。

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