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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Grant, David M. (EDT)/ Harris, Robin K. (EDT)

出品人:

页数:880

译者:

出版时间:2002-10

价格:9455.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780471490821

丛书系列:

图书标签:

• 核磁共振
• NMR
• 光谱学
• 物理化学
• 化学
• 百科全书
• 分子结构
• 分析化学
• 核物理
• 科学参考书

量子计算与信息科学前沿：超越经典极限的计算范式 图书名称： 量子计算与信息科学前沿：超越经典极限的计算范式 作者： [此处可填入虚构的、符合该领域权威性的作者姓名，例如：Dr. Anya Sharma, Prof. Kenji Tanaka] 出版社： [此处可填入虚构的、专业的学术出版社名称，例如：Pinnacle University Press] ISBN: [虚构的ISBN] --- 图书简介 在信息时代迈向下一个飞跃的宏伟征程中，我们正面临着经典计算范式所能触及的物理极限。传统的晶体管和比特结构，尽管在过去几十年里推动了人类科技的巨大进步，但其运算能力在处理诸如大规模药物分子模拟、复杂材料设计、优化NP难题以及破解现有加密体系等前沿挑战时，已显示出清晰的瓶颈。《量子计算与信息科学前沿：超越经典极限的计算范式》正是为迎接这一挑战而诞生的权威著作。 本书并非对现有技术的简单综述，而是一部深入探讨量子信息科学（QIS）这一新兴交叉学科的基石性、前瞻性专著。它系统性地、从第一性原理出发，构建了一座连接基础物理学、信息论、计算机科学和工程技术的坚固桥梁。全书旨在为研究生、研究人员以及渴望理解下一代计算核心原理的资深工程师，提供一个全面、严谨且富有洞察力的知识体系。 第一部分：量子力学基础与信息编码 本书首先奠定了坚实的理论基础，确保读者对量子世界的奇特性质有深刻的理解，这是所有量子技术的核心驱动力。 第一章：从经典比特到量子比特（Qubit）： 本章详细阐述了经典信息论（香农熵、信道容量）与量子信息论的根本区别。重点剖析了量子比特的数学描述——复数矢量空间中的状态表示（狄拉克符号），以及叠加态、纠缠态的物理意义和信息承载能力。引入了密度矩阵形式来处理开放量子系统中的退相干问题。 第二章：量子力学的核心原理与计算的物理实现： 深入探讨了薛定谔方程、海森堡不确定性原理在信息处理中的体现。本章聚焦于量子力学公设如何转化为可操作的计算步骤。内容涵盖了量子态的演化——酉变换的性质、守恒量以及时间演化算符的构建。 第三章：测量理论与信息提取： 测量在量子计算中的“非破坏性”与“塌缩性”是理解算法的关键。本章细致分析了泡恩-冯·诺依曼测量理论，对比了投影测量、弱测量和量子非破坏性测试（QND）技术的理论框架，并讨论了如何从高维量子态中提取有效信息。 第二部分：量子算法与复杂性理论 本部分是本书的核心，系统介绍了指导未来量子计算机运行的数学框架和算法设计哲学。 第四章：量子门集与通用量子计算： 详述了构建量子电路所需的基本操作单元——量子门。除了基础的单比特门（Pauli矩阵族、Hadamard门）外，重点分析了两比特纠缠门（如 CNOT, CZ）作为通用计算集的必要性。引入了Solovay-Kitaev定理，探讨了任意酉变换如何在有限精度下被近似实现。 第五章：标志性量子算法的深入剖析： 本章对Shor算法和Grover算法进行了数学上的严谨推导和复杂度分析。对于Shor算法，详细分解了量子傅里叶变换（QFT）在周期查找中的作用及其指数加速的来源。对于Grover算法，则从几何角度阐释了振幅放大（Amplitude Amplification）的迭代过程及其二次加速的原理。 第六章：量子模拟与变分方法： 随着硬件能力的提升，模拟复杂物理系统的需求日益迫切。本章专注于量子相位估计算法（QPE）在求解本征值问题上的应用，并详细介绍了变分量子本征求解器（VQE）等混合量子-经典算法，探讨了它们在当前“噪声中等规模量子”（NISQ）设备上的实际可行性和局限性。 第七章：量子复杂性理论： 将量子计算置于更广阔的计算理论背景下。对比了经典复杂性类P、NP、co-NP与量子复杂性类BQP（有界误差的量子多项式时间）。讨论了量子不可并行的证据（如对NP问题的处理能力），并探讨了量子计算在PCP定理等方面的潜在影响。 第三部分：硬件实现与工程挑战 真正的突破依赖于可扩展、低噪声的物理实现。《量子计算与信息科学前沿》用大量篇幅探讨了当前主流硬件平台的技术细节、优势与工程障碍。 第八章：超导电路量子计算（Transmon Qubits）： 详细介绍了基于约瑟夫森结的超导量子比特的能级结构、操控脉冲的调谐技术，以及读出系统的耦合机制。深入分析了如何通过三能级系统（Qudits）或耦合谐振器来抑制串扰和提高相干时间。 第九章：囚禁离子与中性原子系统： 阐述了利用激光冷却和射频电磁场囚禁单个离子或中性原子的原理。重点探讨了Mølmer–Sø Sørensen门在离子阱中的实现，以及光晶格中冷原子阵列作为可编程量子模拟器的潜力。 第十章：拓扑量子计算与容错理论（QEC）： 面对退相干的固有挑战，本章转向了对未来容错计算的展望。详细介绍了拓扑量子比特（如Majorana零模）的理论优势——固有的对局域噪声的免疫性。随后，系统性地介绍了表面码（Surface Code）、Steane码等主要的量子纠错方案，计算了实现逻辑量子比特所需的物理量子比特开销。 第十一章：量子通信与网络： 展望了构建全球量子互联网的可能性。深入探讨了量子密钥分发（QKD）的BB84和E91协议的安全性证明，以及量子中继器和量子存储器作为远距离量子态传输的关键技术瓶颈。 结论与展望 本书在最后总结了当前量子计算领域面临的三大核心挑战：可扩展性（Scalability）、保真度（Fidelity）和连接性（Connectivity）。本书强调，真正的通用量子计算需要跨越物理、材料科学和算法设计的协同进化。它不仅为学术界提供了深入研究的蓝图，更为工业界指明了从NISQ向容错量子计算迈进的清晰路径。 本书的深度和广度，使其成为量子信息科学领域不可或缺的参考工具书，激发下一代科学家和工程师探索超越经典计算边界的无限可能。

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