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出版者:Cambridge University Press

作者:Mark M. Wilde

出品人:

页数:776

译者:

出版时间:2017-2-6

价格:GBP 54.99

装帧:Hardcover

isbn号码:9781107176164

丛书系列:

图书标签:

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《探索未知的量子宇宙：从基本原理到前沿应用》 本书并非关于特定一本名为《量子信息理论》的书籍的介绍，而是旨在为读者提供一个全面、深入且极具启发性的视角，去理解和探索那个由量子力学构筑的、与我们日常经验截然不同的奇妙世界。它将带领您穿越时间和空间，从量子现象最基本的粒子尺度，一路攀升至当前科学探索的最前沿，揭示隐藏在宇宙深处的运行法则，以及这些法则如何重塑我们对计算、通信乃至现实本身的认知。 第一部分：量子世界的基石——颠覆性的直觉 在踏入量子领域之前，我们必须先卸下旧有的、基于经典物理学的思维枷锁。本部分将从宏观世界的日常现象出发，逐步引入量子力学的核心概念，以一种引人入胜的方式，消解其固有的“反直觉”特质。 经典与量子的鸿沟： 我们将从惠更斯的光波理论与牛顿的粒子理论的争论讲起，引出光电效应、黑体辐射等一系列无法用经典物理学解释的实验现象。这些现象如同一道道裂痕，预示着一个更加深刻的物理理论即将诞生。 波粒二象性： 这是量子世界最令人着迷的特质之一。我们将通过著名的双缝干涉实验，生动地展示微观粒子如何同时表现出波动性和粒子性。您将了解到，单个电子如何在不被观察时表现出波的扩散，而在被测量时又表现出粒子的聚集。这并非简单的比喻，而是深刻揭示了粒子在微观尺度下状态的非确定性。 量子叠加态： 想象一个物体可以同时存在于多个位置、拥有多个状态，直到被观测的那一刻才“坍缩”到一个确定的状态。本书将深入浅出地解释量子叠加态的概念，例如著名的薛定谔的猫的思想实验，它以一种戏剧性的方式揭示了叠加态的奇异性，并引出量子测量过程中观察者的角色。 量子纠缠： “幽灵般的超距作用”——爱因斯坦曾这样形容量子纠缠。我们将详细阐述两个或多个粒子之间超越时空限制的关联。一旦处于纠缠态，无论它们相距多远，测量其中一个粒子的状态会瞬间影响到其他粒子的状态。这并非信息传递，而是某种更深层次的、非定域的连接，为量子通信和计算提供了天然的优势。 量子不确定性原理： 海森堡不确定性原理告诉我们，我们无法同时精确地知道一个粒子的位置和动量。本书将深入探讨这一原理的数学表达和物理意义，理解它并非测量仪器的局限，而是量子系统内在的根本属性，它限制了我们对微观世界的确定性描述。 第二部分：量子世界的应用——重塑未来 量子世界并非仅仅是理论家的思想实验，它的原理已经开始深刻地改变我们的技术格局，并预示着更加颠覆性的未来。 量子计算的黎明： 我们将介绍量子比特（qubit）这一比经典比特更强大的信息单元。它能够利用叠加态和纠缠态进行计算，从而在解决特定问题上展现出指数级的加速能力。本书将探讨不同类型的量子计算机（如超导量子计算机、离子阱量子计算机等）的基本原理、当前的进展以及它们在破解密码、药物研发、材料科学、金融建模等领域的巨大潜力。您将了解到，量子计算机并非要取代所有经典计算机，而是在特定问题上提供超乎想象的算力。 量子通信的安全屏障： 基于量子力学原理的量子密钥分发（QKD）技术，能够实现理论上不可破解的通信安全。本书将揭示QKD的工作机制，它如何利用量子的叠加和纠缠特性，确保密钥的传输过程中任何窃听行为都会被立即察觉。这将为未来的信息安全领域带来革命性的改变，彻底解决当前加密技术的脆弱性。 量子传感器的超凡精度： 量子传感器能够利用量子系统的敏感性来测量物理量，其精度远超现有经典传感器。我们将介绍量子传感器在磁场探测、时空测量、生物成像等方面的应用，它们将为科学研究和医疗诊断带来前所未有的精度和洞察力。 量子模拟的探索之路： 模拟复杂的量子系统是理解物质本质的关键，但经典计算机难以胜任。量子模拟器则能够直接利用可控的量子系统来模拟其他更复杂的量子系统，从而加速我们在凝聚态物理、高能物理、化学等领域的研究进程。 第三部分：前沿探索与哲学思考 在掌握了量子世界的基石和应用之后，本书将进一步引领读者深入到当前量子科学最前沿的探索，并引发对现实本质的深刻哲学思考。 量子引力与弦理论的猜想： 量子力学与广义相对论是现代物理学的两大支柱，但它们在统一上存在巨大的挑战。本书将简要介绍量子引力的研究方向，如弦理论、圈量子引力等，它们试图在微观层面揭示引力的本质，并可能为我们理解宇宙的起源和终结提供新的线索。 多世界诠释与宇宙的真相： 量子力学的各种诠释，如哥本哈根诠释、多世界诠释等，为我们理解量子现象提供了不同的视角。本书将探讨这些诠释的哲学含义，特别是多世界诠释所描绘的无数并行宇宙，它们如何挑战我们对现实的单一性认知。 量子意识的可能性： 尽管仍处于高度推测阶段，但一些科学家和哲学家开始探索量子现象是否与人类意识的产生有关。本书将介绍这些跨学科的思考，以及量子理论如何为理解意识提供新的可能性。 宇宙的量子之美： 从最基本的粒子到最宏大的星系，量子规则无处不在。本书将以一种宏大的视角，审视量子世界如何构筑了我们所见的宇宙，以及它所蕴含的深刻的数学之美和哲学意义。 《探索未知的量子宇宙》将是一次知识的冒险，一次思维的革命。它不仅仅是一本关于量子物理学的介绍，更是一扇通往理解宇宙深层运作机制的窗口，一窥人类智慧在探索未知领域所能达到的高度。无论您是物理学爱好者、技术探索者，还是对宇宙奥秘充满好奇的求知者，本书都将为您带来一场前所未有的思想盛宴。

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这本厚重的卷帙，初翻之际，便被其中扑面而来的严谨性所震撼。它绝非那种轻飘飘的科普读物，而是直击物理学核心的硬骨头。我记得翻开第一章，作者似乎毫不留情地将你扔进了数学的深海，那些张量、希尔伯特空间和线性代数的符号，仿佛构成了一道道需要攀爬才能逾越的高墙。对于一个热衷于理论物理，但可能基础计算功力略显不足的读者来说，这初期的体验无疑是既兴奋又带着一丝敬畏的。我花了大量的时间在草稿纸上演算那些定义和定理的推导过程，每一个$langlepsi|phi angle$的内积，每一次幺正变换的矩阵乘法，都要求你心无旁骛。这本书的叙事风格非常内敛，它不急于用华丽的语言去描绘未来技术的宏伟蓝图，而是沉浸在对“信息”本体论的解构之中。它似乎在问：信息，在最本源的物理层面上，究竟是什么？是通过经典比特的0与1来描述的，还是必须诉诸于叠加态和纠缠这种非定域性的实在？这种深度的挖掘，使得阅读过程成为了一场对思维边界的持续拉伸。你必须准备好，随时准备后退几步，去复习一下更高阶的群论基础，才能跟上作者构建复杂理论模型的步伐。这种对基础的执着，恰恰是这本书的巨大价值所在，它训练的不仅仅是知识的接收，更是逻辑推理的强度。

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这本书给我的感觉，像是一次深入一座精密仪器的内部探险，每拧开一个螺丝，都能看到前所未见的精巧结构。我尤其欣赏作者处理“测量问题”的那几章。在这个领域，许多教材往往简单地抛出波函数坍缩的公设，然后草草了事，将这个物理学最大的哲学难题束之高阁。但在这里，作者并没有逃避。他们花了整整一个章节去对比不同的诠释路径——从多世界观的激进推演，到退相干理论的实用主义解释，再到隐藏变量理论的艰难回归。这种多角度、不偏不倚的探讨，极大地拓宽了我的视野。我不再仅仅满足于“知道”测量会发生什么，而是开始追问“为什么”以及“在更深层次的物理定律下，测量行为的边界在哪里”。这种深入剖析，使得原本抽象的概念，如量子态的“演化”与“突变”，获得了更清晰的物理图像。读到后面，你开始意识到，作者试图搭建的不是一个关于计算能力的框架，而是一个关于“物理实在如何编码信息”的哲学体系。这种哲学思辨与严密数学推导的完美融合，让这本书读起来既有智力上的挑战，又有思想上的巨大满足感，仿佛打开了一扇通往世界最深层运作机制的窗户。

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从排版和细节处理上看，这本书展现出了一种典型的学术严谨性，但同时也略显保守。图表的数量相对精简，它们往往是功能性的，而非装饰性的。你不会看到大量彩色的、试图吸引眼球的插图来解释复杂的量子态，取而代之的是精确标注的数学表达式和结构清晰的示意图。这再次印证了本书的目标读者群体并非大众，而是严肃的研究者或高年级学生。书中的引用和参考文献部分做得相当详尽，这对于进行后续深入研究的读者来说至关重要，它提供了一个清晰的知识脉络和溯源路径。我发现自己经常停下来，记下一些关键的引文，以便将来能找到对应的原始出处。然而，正是这种极度的聚焦于理论本身，使得某些章节在“应用性”的阐述上显得略为不足，它更像是一本关于“原理”的百科全书，而不是一本“如何实现”的操作手册。如果你期望从中找到现成的量子门电路的优化技巧或者最新的硬件进展，你可能会感到失望，因为它的视野始终定格在信息在物理定律下的纯粹表达上，探讨的是“应该是什么”，而非“现在能做到什么”。

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坦白说，这本书的阅读体验是伴随着强烈的“挫败感”和“顿悟感”交织出现的。某些章节，特别是关于误差修正码和量子拓扑学的论述，对我而言，其复杂程度简直像是直接从前沿期刊中截取下来的原始材料。作者似乎默认读者已经对量子场论的某些基础概念有着相当的熟悉度，以至于在推导某些复杂的量子信道容量界限时，跳跃性非常大。我不得不频繁地在其他参考书和论文之间来回查阅，试图填补那些被“省略”的中间步骤。这无疑打断了阅读的连贯性，让我的进度缓慢得令人沮丧。然而，也正是在这种反复的挣扎中，我体会到了学习的真正乐趣。当某一个看似无法穿透的数学障碍，经过数小时的冥思苦想，最终豁然开朗，那种清晰的逻辑链条在脑海中重新构建起来的瞬间，简直是令人上瘾的。这种书籍的价值，不在于它让你轻松地“学会”了什么，而在于它迫使你用尽全力去“理解”了什么。它筛选出了那些真正愿意为深度知识付出汗水的人，而对于那些能坚持下来的读者，回报是巨大的知识深度和解决复杂问题的能力。

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这本书在结构上采取了一种非常古典的、自底向上构建知识体系的方式。它没有急于介绍那些炫酷的、能直接应用到工程上的算法，而是花费了大量的笔墨去夯实“量子力学如何被信息论的语言重新描述”这一基础。例如，它对冯·诺依依曼熵、对纠缠熵的定义和性质的讨论，细致到近乎苛刻的程度。作者似乎坚信，只有将信息论的工具精确地嵌入到量子力学的基本公设中，才能真正理解量子计算的潜力与局限。我特别欣赏它对“互信息”在量子情境下复杂性的剖析，这远超出了经典香农理论的范畴。这种深入的理论构建，使得阅读过程像是在走一条冗长但异常坚固的隧道，你可能看不到出口，但你知道脚下的每一步都是在加固地基。对于那些希望从根本上理解量子计算为何不同于经典计算的读者来说，这种基础的扎实度是无价的。它强迫你抛弃对“快了多少倍”的肤浅关注，转而关注“本质上如何不同”。

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