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出版者:中国妇女

作者:刘全喜

出品人:

页数:427

译者:

出版时间:2008-1

价格:24.80元

装帧:

isbn号码:9787802034952

丛书系列:

图书标签:

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寰宇科技前沿：量子纠缠与未来计算的奥秘 图书简介 《寰宇科技前沿：量子纠缠与未来计算的奥秘》是一部深度聚焦于当代物理学最前沿——量子信息科学的专业性著作。本书旨在为读者构建一个清晰、详尽的知识框架，系统阐述量子纠缠这一核心概念的理论基础、实验实现以及它对下一代信息技术，特别是量子计算、量子通信和量子传感领域带来的颠覆性影响。 本书并非一部科普读物，而是面向对高等数学、线性代数及基础量子力学原理有所了解的科研人员、工程师、高年级理工科学生以及对前沿科技抱有浓厚兴趣的专业人士。全书内容严谨，论证充分，力求在概念的精确性与阐述的逻辑性之间找到最佳平衡点。 第一部分：量子力学的基石与纠缠的数学表达 本部分首先回顾了量子力学的基本公设，包括希尔伯特空间、态矢量的演化（薛定谔方程）、算符的对易关系以及测量公设。随后，我们将重点深入探讨了量子纠缠（Quantum Entanglement）的严格数学定义。 我们将从张量积空间（Tensor Product Spaces）的角度出发，详细区分可分离态（Separable States）与纠缠态（Entangled States）。核心内容包括： 密度矩阵形式的描述： 如何利用密度矩阵 $ ho$ 来描述一个复合量子系统的状态，并引入约化密度矩阵（Reduced Density Matrix）的概念。 贝尔不等式（Bell Inequalities）： 贝尔不等式及其变体（如CHSH不等式）是检验量子纠缠和定域实在论的实验基石。本书将详细推导这些不等式的数学形式，分析其在经典理论与量子理论下的预期值差异，并阐述实验如何确凿地证明了量子纠缠的非经典特性。 纠缠度量： 纠缠并非“有或无”的二元状态，而是可以量化的。我们将介绍几种主要的纠缠度量指标，包括冯·诺依曼熵（Von Neumann Entropy）、纠缠熵（Entanglement Entropy），以及针对纯态和混合态的特定度量（如纠缠保真度）。对于高维系统，我们将探讨张量网络表示法在刻画复杂纠缠结构中的应用。 第二部分：纠缠的实验制备与操控 理论的生命力在于实验的验证。本部分将详细剖析当前主流的量子比特（Qubit）平台，以及如何利用这些平台实现和操控纠缠态。 光子系统： 详细介绍基于自发参量下转换（SPDC）和自发四波混频（SFWM）技术制备纠缠光子对的原理。我们将讨论空间纠缠、偏振纠缠和时间-频率纠缠的实验方案，并分析提高纠缠源亮度、纯度和效率所面临的技术挑战。 固态系统： 深入探讨超导量子比特（Transmon Qubits）和金刚石色心（NV Centers）中实现双比特乃至多比特纠缠的机制。重点分析了利用微波脉冲序列（如iSWAP门或CZ门）精确控制量子态演化的脉冲整形技术，以及退相干过程对纠缠寿命的影响。 离子阱系统： 阐述囚禁离子（Trapped Ions）如何通过激光冷却和射频场实现精确的量子控制。书中将详述Mølmer–Sørensen（MS）门在生成离子链之间最大纠缠态方面的关键作用。 第三部分：量子纠缠在计算领域的革命性应用 量子纠缠不仅是基础物理的奇观，更是未来信息技术的核心资源。本部分将集中探讨纠缠态如何驱动计算能力的飞跃。 量子纠错码（Quantum Error Correcting Codes, QECC）： 量子态极其脆弱，易受环境噪声干扰。本章将系统介绍基于表面码（Surface Codes）和Steane码等拓扑保护码的设计原理，重点解释如何利用纠缠态（如GHZ态）来编码信息，实现对比特翻转错误和相位错误的同时检测与修正。 量子纠错的容错门操作： 讨论在不破坏编码保护的前提下，如何在纠缠态上执行逻辑门操作（如逻辑CNOT门），这是实现通用容错量子计算机的关键步骤。 量子算法的纠缠需求分析： 分析著名的量子算法，如Shor算法（用于大数分解）和Grover算法（用于无序数据库搜索），其计算加速的根本来源。我们将量化这些算法对所需纠缠资源（如比特数和纠缠层数）的要求，并与经典算法的复杂度进行量化对比。 第四部分：超越计算的纠缠应用：通信与传感 纠缠的价值远不止于计算，它正在重塑信息传输和精密测量的范式。 量子通信与网络： 重点解析量子隐形传态（Quantum Teleportation）的完整流程，阐明其依赖于预先共享的纠缠对，并解释隐形传态如何在不传输物理粒子的前提下，实现量子态的可靠转移。此外，本书将探讨量子密钥分发（QKD）中利用纠缠源（如Ekert91协议）实现信息安全的理论基础和实际部署中的挑战。 量子中继器与长距离通信： 讨论如何利用纠缠交换（Entanglement Swapping）技术克服光纤衰减的限制，构建远距离的量子网络，并概述纠缠提纯（Entanglement Purification）技术在提高远距离信道中纠缠质量方面的必要性。 量子传感与计量： 解释如何利用纠缠态（如N00N态或多体纠缠态）来突破经典测量中的标准量子极限（SQL），逼近海森堡极限（Heisenberg Limit）。这在高精度重力测量、磁场探测和原子钟技术中的潜力将被深入探讨。 总结与展望 本书的最后部分将对当前量子信息科学领域的研究热点进行梳理，包括张量网络态在凝聚态物理中的应用、开放量子系统中的纠缠动力学，以及利用人工智能辅助设计最优量子控制序列的前沿交叉研究。我们希望通过这部详尽的论述，为读者提供一个坚实的理论武器和对未来科技走向的深刻洞察。本书的深度和广度，旨在成为量子信息领域研究者案头必备的参考手册。

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