具体描述
This book uses examples from experimental studies to illustrate theoretical investigations, allowing greater understanding of hydrogen bonding phenomena. The most important topics in recent studies are covered. This volume is an invaluable resource that will be of particular interest to physical and theoretical chemists, spectroscopists, crystallographers and those involved with chemical physics.
好的，这是一本关于量子计算的理论基础及其在材料科学中的应用的图书简介。 书名：量子纠缠与超越：新一代计算范式与物质结构探索 作者：[请在此处填写作者姓名，例如：陈宇、李静] 出版社：[请在此处填写出版社名称，例如：科学前沿出版社] ISBN：[请在此处填写ISBN号码] --- 图书简介 在信息技术和基础科学研究迈入新纪元的今天，我们正面临着经典计算的物理极限。摩尔定律的放缓，以及对模拟复杂量子系统的迫切需求，共同推动着一个全新的计算范式——量子计算的兴起。本书《量子纠缠与超越：新一代计算范式与物质结构探索》旨在系统、深入地阐述量子计算的理论基石、核心算法，并重点探讨其在革新传统材料科学研究中的巨大潜力。 本书的结构设计精妙，既适合具有扎实线性代数和初级量子力学背景的物理、化学、计算机科学专业学生和研究人员，也为希望了解前沿计算工具如何重塑科学发现流程的工程师和科学家提供了清晰的路线图。 第一部分：量子计算的理论基石 本部分内容是对量子力学原理在信息处理领域应用的数学和物理框架的奠定。我们从最基础的量子比特（Qubit）概念入手，详细解析了叠加态（Superposition）和量子纠缠（Entanglement）这两个核心资源，并用严谨的数学语言描述了它们如何超越经典比特的局限。 我们深入探讨了量子态空间的几何结构，包括布洛赫球（Bloch Sphere）的几何意义，以及如何用密度矩阵来描述开放量子系统中的退相干（Decoherence）现象。紧接着，本书详细介绍了实现通用量子计算所必需的量子门集，从单比特的旋转门（如Pauli门和Hadamard门）到多比特的控制门（如CNOT门）。我们不仅解释了这些门的操作原理，还展示了如何利用这些基本操作构建任意复杂的量子电路。 第二部分：量子算法的精妙设计 量子计算的威力体现在其独特的算法设计上。本书用大量的篇幅讲解了最具代表性和影响力的量子算法，并对它们背后的计算范式进行了剖析。 Shor算法与因式分解： 我们将详细拆解Shor算法的结构，特别是其核心——量子傅里叶变换（QFT）的应用，阐明其在破解现代密码学基础上的革命性意义。 Grover算法与搜索： 对无序数据库搜索问题的量子加速，Grover算法的迭代优化过程，以及振幅放大（Amplitude Amplification）技术的应用，将清晰地呈现在读者面前。 量子模拟算法： 本部分是本书的重点之一。我们介绍了如何使用Trotter-Suzuki分解等方法，将复杂的哈密顿量演化映射到有限的量子门序列上，为后续的材料模拟打下坚实基础。 此外，本书也涵盖了变分量子本征求解器（VQE）等含噪声中等规模量子（NISQ）设备上的混合算法，探讨了如何在当前硬件限制下实现有用的量子加速。 第三部分：量子计算在材料科学中的前沿应用 量子力学是描述物质世界的基础，然而，精确模拟复杂多电子系统的哈密顿量，却是经典计算机难以企及的“圣杯”。本书的第三部分正是将量子计算的强大能力，聚焦于材料科学这一关键应用领域。 1. 分子结构与电子态计算： 详细阐述了如何利用量子计算来求解薛定谔方程，精确计算分子的基态能量和激发态性质。我们着重介绍了VQE在寻找激发态中的应用潜力，这对于理解光合作用机制或设计新型催化剂至关重要。 2. 固体物理与能带结构： 对于晶体材料，我们探讨了如何通过周期性边界条件下的量子算法来模拟电子在周期性势场中的行为，精确计算费米面、能带结构，为预测超导材料或半导体特性提供新的工具。 3. 新材料的发现与设计： 本章聚焦于前沿应用，包括如何模拟强关联电子系统（如高温超导体和磁性材料）的复杂行为，这些系统是经典密度泛函理论（DFT）难以有效处理的。我们将展示量子计算如何揭示这些材料中的新奇物态。 第四部分：硬件挑战与未来展望 要实现理论上的强大能力，必须克服严峻的硬件挑战。本书的最后一部分，我们对当前主流的量子计算平台进行了概述，包括超导电路、囚禁离子、拓扑量子比特等，并分析了各自的优势、局限性以及实现容错量子计算（Fault-Tolerant Quantum Computing）所需的量子纠错码（如表面码）的基本原理。 本书不仅是对现有知识的总结，更是对未来研究方向的引导。它强调了跨学科合作的重要性——物理学原理、计算机科学算法和化学/材料学应用的深度融合，是推动下一次科学革命的关键所在。 《量子纠缠与超越》不仅是一本教科书，更是一扇通往未来计算与物质探索世界的窗口。它将装备读者掌握必需的理论工具，以迎接量子时代的挑战与机遇。 --- 目标读者： 高年级本科生及研究生 从事理论物理、计算化学、材料科学研究的科研人员 计算机科学中对量子信息感兴趣的开发者 希望了解下一代计算技术对科学研究影响的专业人士。
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