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出版者:Peachpit Press

作者:Todd W. Carter

出品人:

页数:200

译者:

出版时间:2003-12-26

价格:USD 19.99

装帧:Paperback

isbn号码:9780321223739

丛书系列:

图书标签:

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好的，以下是针对一本与您提供的书名完全无关的图书的详细简介。 深入探索：现代量子计算的基石与前沿应用 书籍名称： 现代量子计算的基石与前沿应用 作者： 维克多·科瓦尔斯基 / 艾米莉亚·陈 (合著) 出版社： 尖端科技文献出版社 出版日期： 2023年秋季 页数： 880页（含附录与索引） --- 内容导览：超越比特的思维疆界 《现代量子计算的基石与前沿应用》是一部面向高阶本科生、研究生以及专业研究人员的权威性教科书与参考手册。本书旨在系统、严谨地梳理量子信息科学的理论基础，并全面展示当前量子计算领域最活跃的研究方向与实际应用潜力。它不仅是对量子力学与信息论交叉领域的深刻剖析，更是一份指引未来计算范式转型的路线图。 本书的结构设计遵循了“理论先行，应用跟进”的逻辑，确保读者在没有深厚物理学背景的情况下，也能通过扎实的数学工具逐步建立起对量子世界的直观理解。全书共分为五大部分，二十个章节，辅以丰富的数学推导和实例分析。 第一部分：量子力学基础与信息论的重构（第1-4章） 本部分是全书的理论根基，旨在为读者打下坚实的数学和物理基础，重点在于如何将传统的经典信息论框架转换到概率幅的世界。 第1章：复习必要的数学工具 详细回顾了狄拉克符号（Bra-ket notation）、线性代数在复杂向量空间中的应用、张量积在多体系统描述中的重要性，并引入了算符、厄米性以及本征值分解等核心概念，为后续的量子态描述奠定基础。 第2章：量子态的描述与演化 深入讲解了量子比特（Qubit）的概念，区分了纯态与混合态，并详细阐述了密度矩阵（Density Matrix）的物理意义及其在描述退相干过程中的关键作用。时间演化由薛定谔方程及其矩阵形式给出，并引入了密度矩阵的动力学描述——冯·诺依曼方程。 第3章：测量、概率与不确定性 聚焦于量子力学的核心——测量公设。系统分析了投影测量、弱测量以及量子力学中的非定域性（Non-locality）问题，并以贝尔不等式（Bell’s Inequalities）的实验验证为例，强调了量子信息与经典物理的根本区别。 第4章：量子信息论的公理 本章是信息论的“量子化”过程。定义了量子信息的基本单元（Qubits而非Bits），探讨了量子熵（Von Neumann Entropy）的概念，并严格推导了量子信道容量的理论上限。 第二部分：量子门集与基本量子算法（第5-9章） 在掌握了基础理论后，本部分转向构建量子计算的“电路图”——量子门，并介绍那些展示量子计算优越性的里程碑式算法。 第5章：单量子比特和双量子比特门 系统梳理了SU(2)群下的基本单比特旋转门，并重点剖析了最关键的双比特纠缠门——受控非门（CNOT），以及其作为通用门集基石的重要性。 第6章：量子电路的构造与图示 阐述了量子电路图的绘制规范，如何用幺正矩阵的序列来表示复杂的量子操作。本章还探讨了电路深度、门数量的优化问题。 第7章：量子隐形传态与量子纠缠分发 虽然不直接是计算，但这是理解量子通信和多比特纠缠操作的必经之路。详细分解了隐形传态（Teleportation）的完整过程，并讨论了EPR对（Einstein-Podolsky-Rosen pairs）的制备与应用。 第8章：秀尔算法（Shor's Algorithm）的深入剖析 本章是全书的重点之一。不仅复述了算法的步骤，更侧重于其核心数学工具——量子傅里叶变换（QFT）的推导和高效实现。并探讨了对现有公钥加密体系的潜在威胁。 第9章：格罗弗搜索算法（Grover's Algorithm） 详细分析了平方加速的来源，构建了振幅放大（Amplitude Amplification）的迭代过程，并讨论了其在数据库搜索和优化问题中的实际适用范围。 第三部分：量子计算的物理实现平台（第10-13章） 本部分跳出纯理论的范畴，聚焦于当前构建可扩展量子计算机的几大主流技术路线，分析它们的优势、挑战以及工程化难度。 第10章：超导电路量子计算 详细介绍基于约瑟夫森结的Transmon和Flux Qubit的设计原理，着重分析了微波脉冲控制的机制，以及在低温（mK级别）环境下维持相干性的工程挑战。 第11章：囚禁离子系统 阐述了如何使用激光冷却和电磁阱来精确控制单个离子，并解释了离子间的长程相互作用如何通过激光驱动实现高保真度的CNOT操作。 第12章：拓扑量子计算的展望 介绍了非阿贝尔任意子（Non-Abelian Anyons）的概念，以及它们如何在原理上对环境噪声具有内在的免疫力，这是未来容错计算的关键方向。 第13章：光学与半导体自旋方案 概述了基于光子量子信息处理（如线性光学量子计算）的潜力，以及硅基量子点中电子自旋作为存储单元的研究进展。 第四部分：噪声、误差与容错计算（第14-17章） 随着量子比特数量的增加，错误率成为决定实用性的关键瓶颈。本部分系统地解决了如何从物理噪声中提取出可靠的逻辑操作。 第14章：退相干与噪声模型 对量子系统面临的真实噪声源进行了分类（如Bit-flip, Phase-flip, Depolarizing channel），并使用马尔可夫链和量子态层析技术来量化这些误差。 第15章：量子误差修正码（QECC） 详细介绍了最基础的几个码：三比特码（Shor Code）和表面码（Surface Code）。重点讲解了稳定子（Stabilizer）理论，以及如何通过测量稳定子来检测和修正错误，而不会破坏编码信息。 第16章：容错计算的逻辑门实现 讨论了在存在物理错误的限制下，如何构建高保真度的逻辑门操作。特别是对“神奇数7”（Magic State Distillation）及其在通用容错量子计算中的必要性进行了深入探讨。 第17章：NISQ时代的算法策略 探讨了当前噪声中等规模量子（NISQ）设备可以采用的混合算法，如变分量子本征求解器（VQE）和量子近似优化算法（QAOA），分析了它们在化学模拟和组合优化中的初步应用。 第五部分：前沿应用领域与未来展望（第18-20章） 本书的最后部分将视角投向了量子计算技术在特定科学和工程领域中的直接应用，并对未来十年的发展趋势进行了预测。 第18章：量子化学模拟 阐述了如何利用量子计算机精确计算分子和材料的基态能量，包括哈密顿量的数字化、第二量子化表示，以及利用QPE（量子相位估计算法）求解电子结构问题。 第19章：优化问题与机器学习 探讨了量子计算在解决旅行商问题、最大割问题等NP难问题上的潜力。重点介绍量子支持向量机（QSVM）和量子神经网络（QNN）的基本架构和优势。 第20章：量子技术生态系统与路线图 总结了全球范围内各国政府、学术界和产业界在量子计算领域的投资布局。讨论了软件工具链（如Qiskit, Cirq, PennyLane）的成熟度，并对量子霸权（Quantum Supremacy）之后的下一代计算平台提出了审慎的展望。 --- 本书特色 数学严谨性： 每一步推导都力求详尽，避免了对复杂概念的简单跳跃。 平台中立性： 平衡讨论了所有主要的硬件实现路线，不偏袒任何单一技术。 实用性导向： 包含大量代码片段示例（使用Python和相关量子SDK），辅助读者在模拟器上实践算法。 面向未来： 深入探讨了容错计算的理论核心，为从事下一代量子硬件和软件开发的研究人员提供了必要的基础知识。 本书是希望从信息科学、计算机科学或物理学背景跨越到量子计算前沿领域的专业人士不可或缺的桥梁。

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