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出版者:北京理工大学出版社

作者:黄一平 编

出品人:

页数:198

译者:

出版时间:2008-1

价格:21.00元

装帧:

isbn号码:9787564013752

丛书系列:

图书标签:

• 光纤通信
• 光纤
• 通信
• 网络
• 信息技术
• 物理学
• 工程技术
• 电子工程
• 光电子学
• 信号处理

好的，这里为您提供一份关于量子计算的图书简介，完全不涉及光纤通信的内容，力求详实且自然流畅： --- 量子计算：颠覆性计算范式的基石与前沿 导言：超越经典极限的计算革命 自二十世纪中叶图灵机概念诞生以来，经典计算机以其卓越的逻辑处理能力和不断迭代的硬件性能，深刻地重塑了人类社会的面貌。然而，当我们面对某些极端复杂的问题，如大数因式分解、高精度分子模拟、复杂材料设计或全域优化问题时，即使是地球上最强大的超级计算机也需要耗费比宇宙年龄还要长的时间来得出精确解。这种计算能力的瓶颈，正是经典物理学定律的内在限制所决定的。 本书《量子计算：颠覆性计算范式的基石与前沿》，旨在系统性地、深入浅出地剖析下一代计算范式——量子计算的理论基础、核心技术路径、关键算法及其在未来科学、工程和社会中的深远影响。我们聚焦于如何利用微观世界的奇特物理现象，构建出能够解决经典计算机无法企及问题的强大工具。 第一部分：理论基石——从比特到量子比特 量子计算的威力源于其与经典计算在信息载体上的根本差异。本部分将为读者奠定坚实的物理学和数学基础。 1. 量子力学的基本原理重述 为了理解量子计算，我们必须首先掌握支撑其运行的物理学框架。本章将回顾非相对论量子力学中的关键概念，包括： 波粒二象性与不确定性原理： 阐释物质在微观尺度上的基本属性，以及测量行为对系统的干扰。 态向量与希尔伯特空间： 引入描述量子系统状态的数学工具。我们将详细探讨如何用复向量来精确描述一个量子态，并理解希尔伯特空间的高维度特性。 量子演化： 讲解薛定谔方程及其在时间演化中的作用，重点介绍幺正（Unitary）演化操作的物理意义——信息守恒。 2. 量子比特（Qubit）的奥秘 量子计算的核心信息单元是量子比特（Qubit）。它与经典比特（Bit）的“非黑即白”截然不同。 叠加态的威力： 详细解释量子比特如何存在于 $|0 angle$ 和 $|1 angle$ 的任意线性叠加态中，并展示布洛赫球模型如何直观地表示这些态。我们探讨叠加态如何使量子系统能够同时探索多种可能性。 退相干（Decoherence）的挑战： 这是实现和维持量子计算的最大技术障碍。本章会深入分析环境噪声如何导致量子态的纯度下降，使其“泄漏”到经典世界，并简要介绍维持相干性的实验手段。 测量问题： 探讨量子测量过程的非幺正性——即测量如何导致叠加态“坍缩”到确定的经典结果，以及如何利用概率性的测量来获取计算结果。 3. 量子并行性与纠缠现象 真正的量子加速来源于两个关键的量子特性： 指数级信息编码： 阐释 $N$ 个量子比特可以同时编码 $2^N$ 个经典状态的信息，这是实现量子并行计算的基础。 量子纠缠（Entanglement）： 深入剖析这种“鬼魅般的超距作用”。我们将讲解贝尔态的构建，以及纠缠如何作为一种非局域的资源，在某些算法（如量子隐形传态）中发挥关键作用，并被视为构建容错量子计算机的关键资源。 第二部分：量子计算的实现与工具箱 理论构想必须落实到物理硬件和可操作的数学门上。本部分关注如何实际“构建”一台量子计算机，以及我们用来编写程序的语言。 4. 量子门与量子电路 量子程序是通过一系列精确控制的量子门操作来实现的。 基本量子门： 详述泡利门（$X, Y, Z$）、哈达玛门（$H$）、相位门（$S, T$）的矩阵表示及其对量子态的作用，特别是哈达玛门在产生叠加态中的核心地位。 通用量子门集： 证明任何幺正变换都可以用一组基础的单比特门和一个关键的双比特门（如受控非门，CNOT）来近似实现，从而确立了量子电路模型的完备性。 量子线路设计： 介绍如何将算法转化为一系列可执行的量子门序列，并探讨电路深度和门操作数量对计算效率和错误率的影响。 5. 物理实现路径的竞争与发展 量子计算的硬件平台尚未统一，目前呈现“百花齐放”的态势。本章将公正地评估主流的物理实现方案的优劣： 超导电路量子比特（Transmon Qubits）： 介绍基于约瑟夫森结的方案，其优势在于可扩展性与集成度，以及面临的低温操作挑战。 离子阱系统（Trapped Ions）： 重点分析其高保真度的门操作和长相干时间，以及如何通过激光捕获离子实现精确控制。 拓扑量子计算（Topological Qubits）： 探讨利用准粒子（如马约拉纳费米子）实现内在抗错误的计算模式的潜力与前沿研究进展。 其他新兴方案： 简要介绍光子量子计算、中性原子阵列等其他具有竞争力的技术路线。 第三部分：里程碑算法与应用前景 量子计算的价值体现在其能解决特定问题的指数级或多项式加速上。本部分集中介绍颠覆性的量子算法及其对现实世界领域的潜在冲击。 6. 量子算法的“三大支柱” 本章是本书的核心应用部分，详细解析了已知的几个具有划时代意义的量子算法： 秀尔算法（Shor's Algorithm）： 深入解析该算法如何利用量子傅里叶变换（QFT）在多项式时间内解决大数因子分解问题，并讨论其对现有公钥加密体系（如RSA）的颠覆性威胁。 格罗弗算法（Grover's Algorithm）： 解释其如何提供无序数据库搜索的平方加速（$O(sqrt{N})$），并讨论其在优化和机器学习搜索空间中的普适应用。 量子模拟（Quantum Simulation）： 强调费曼最初设想的核心应用——利用量子系统精确模拟其他复杂的量子系统，如化学反应机理、新材料的电子结构等。 7. 噪声中型量子（NISQ）时代的实用算法 当前我们正处于“噪声中型量子”（NISQ）时代，即硬件受限于量子比特数量和错误率的阶段。本章专注于在此限制下可行的混合算法： 变分量子本征求解器（VQE）： 介绍这种结合经典优化器与量子电路的混合方法，它是目前解决分子电子结构计算最有希望的路径之一。 量子近似优化算法（QAOA）： 探讨如何利用该算法处理组合优化问题，如旅行商问题或最大割问题。 8. 量子计算对未来的影响 本书最后将超越技术细节，展望量子计算对人类文明的宏观影响： 材料科学与药物发现： 如何通过高精度模拟，加速新催化剂、高温超导材料和个性化药物的研发。 金融建模与风险管理： 量子计算在期权定价、投资组合优化和蒙特卡洛模拟加速方面的潜力。 后量子密码学（PQC）： 讨论在量子计算机普及之前，如何设计和部署能够抵御量子攻击的新的加密标准。 结语 《量子计算：颠覆性计算范式的基石与前沿》不仅是一本技术手册，更是一份对未来计算格局的预判。通过系统学习，读者将能够理解这一领域从基础物理到前沿应用的完整图景，为迎接下一个计算时代的到来做好知识储备。本书适合具备一定高等数学、线性代数基础的物理学、计算机科学、工程学及信息技术领域的学生、研究人员和专业人士阅读。 ---

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