Advances in Electromagnetics of Complex Media and Metamaterial pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Saïd Zouhdi

出品人:

页数:504

译者:

出版时间:January 1, 2003

价格:$135.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781402011016

丛书系列:

图书标签:

• Electromagnetics
• Metamaterials
• Complex Media
• Electromagnetic Theory
• Materials Science
• Physics
• Engineering
• Nanomaterials
• Optics
• Microwave Engineering

《量子纠缠态的拓扑分类与应用》 书籍简介 本书深入探讨了量子纠缠态的拓扑分类理论及其在量子信息科学中的前沿应用。我们从量子信息的基本概念出发，详细阐述了量子纠缠作为一种核心资源，在推进计算、通信和传感等领域变革中的关键作用。全书以严谨的数学框架为基础，将代数拓扑的深刻思想引入量子力学的研究范畴，旨在为理解和操控多体量子系统的复杂纠缠结构提供一种全新的视角。 第一部分：量子纠缠的基础理论 本部分旨在为读者构建扎实的量子纠缠理论基础。首先，我们回顾了量子力学中的基本原理，包括态矢量、算符、可观测量以及量子态的叠加与测量等核心概念。在此基础上，我们详细介绍了二体量子纠缠的定义、度量（如贝尔不等式、保真度、纠缠熵等）及其重要的性质，例如贝尔态的完备性以及量子隐形传态等实验验证。 随后，本书将讨论扩展至多体纠缠。我们引入了GHZ态、W态等典型的多体纠缠态，并分析了它们在构建量子逻辑门、实现量子计算中的优势。书中对纠缠的度量方法进行了扩展，讨论了如“纠缠的政权”、“纠缠对的数量”等适用于多体系统的概念。我们还探讨了纠缠的生成、维持和退相干等实际问题，以及如何通过纠缠蒸馏等技术来提升纠缠的质量。 第二部分：量子纠缠态的拓扑分类 本部分是本书的核心内容，我们将代数拓扑的强大工具应用于量子纠缠态的分类。我们首先介绍了代数拓扑中的基本概念，如同调群、同伦群、纤维丛等，并阐明了它们如何能够描述数学对象的全局性质，而与局部细节无关。 接着，我们将这些拓扑概念与量子纠缠态联系起来。我们提出了一种新的量子纠缠态分类框架，该框架基于量子态在特定Hilbert空间中的“拓扑不变量”。具体而言，我们利用同调论的思想，将具有相同拓扑特性的纠缠态归为同一类。这些拓扑不变量可以看作是纠缠态的“指纹”，即使在存在噪声和局部扰动的情况下也能保持不变。 书中详尽阐述了如何构造和计算这些拓扑不变量。我们以低维系统（如两体、三体系统）为例，演示了如何利用代数拓扑工具来识别和区分不同的纠缠类型。例如，我们展示了如何通过计算特定代数结构的同调群来识别量子态的拓扑分类。我们还讨论了如何将这种分类方法推广到更高维度的系统，以及如何处理连续变量量子纠缠态。 第三部分：拓扑量子纠缠态的应用 本部分将重点介绍拓扑分类在实际量子信息应用中的潜力。 拓扑量子计算（Topological Quantum Computing）： 这是本书的重点应用之一。我们详细介绍了基于拓扑保护的量子计算模型。通过利用具有特定拓扑性质的量子纠缠态（例如，非阿贝尔任意子），可以构建对局部扰动具有内在鲁棒性的量子比特。这些“拓扑量子比特”的量子信息存储在纠缠态的全局拓扑结构中，从而极大地提高了量子计算的容错性。书中将分析实现拓扑量子计算所需的物理系统（如分数量子霍尔效应体系）和操作方法，并探讨当前研究的挑战与前景。 量子通信与量子网络： 拓扑分类为设计更高效、更安全的量子通信协议提供了理论指导。利用拓扑保护的纠缠态，可以实现更远距离、更低损耗的量子密钥分发（QKD）。我们还将探讨如何利用拓扑量子纠缠态构建能够抵御恶意攻击的量子网络节点，增强量子网络的整体鲁棒性。 量子传感与精密测量： 拓扑不变量的稳定性使其成为构建高精度量子传感器的理想选择。本书将介绍如何利用具有拓扑性质的量子态来设计对特定物理量（如磁场、电场）极其敏感的量子传感器，实现超越经典极限的测量精度。 基础物理研究： 拓扑分类也为探索量子多体物理中的新现象提供了工具。例如，它可能有助于理解和发现新的拓扑物态，以及揭示量子相变过程中的普适性规律。 结论与展望 本书的最后一章将总结拓扑分类在量子纠缠态研究中的核心贡献，并展望未来的研究方向。我们将强调拓扑方法在理解和操控复杂量子系统中的独特优势，并指出该领域在理论和实验方面仍存在的挑战。未来的研究可能集中在开发更高效的拓扑不变量计算方法，探索更多具有拓扑保护性质的量子纠缠态，以及将拓扑量子信息技术应用于更广泛的领域。 本书适合量子信息、量子计算、量子物理、固体物理以及相关交叉学科的研究生和研究人员阅读。对于希望深入理解量子纠缠本质及其未来应用前景的读者，本书将提供一套全新的理论框架和深刻的见解。

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这本书的结构安排，给我一种**编年史**般的感受，但并非按照时间顺序，而是沿着**物理问题的复杂度**逐步递进。起初的几章铺陈了基础的介质分类和本构关系，处理的都是各向同性、线性响应的简单模型。然而，随着章节深入，难度陡然增加，开始涉足**手性、双各向异性**等高度耦合的材料体系。我个人对其中关于**时空色散**的讨论尤其着迷。作者通过引入特定的张量形式，清晰地展示了材料响应如何依赖于电磁波的频率和传播方向，这与我们日常经验中的常数介质形成了鲜明对比。书中有大量的表格和图示，用来比较不同**“超材料单元结构”（Meta-atoms）**的等效电磁参数，例如其等效电感和电容的计算方法，这对工程师来说是极其实用的参考资料。我记得书中有一段对**“电磁黑洞”**概念的探讨，虽然听起来有些科幻，但作者用严谨的数学语言解释了如何通过时空域的扭曲来模拟光线的单向捕获，虽然实现难度极大，但其理论基础的清晰度令人印象深刻。总而言之，这本书的叙述风格是**高度的理论驱动，但又时刻不忘其物理意义**，它强迫读者去思考“为什么是这样”，而不是仅仅接受“它是这样”。

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拿到这本书的时候，我主要关注的是它对**电磁波散射理论**的更新颖的阐述。传统教材中对米氏散射和瑞利散射的讲解往往比较直白，但这本书的视角明显更高。它非常深入地讨论了在**非均匀介质**中，如何利用**时域有限差分（FDTD）**方法来模拟复杂的波前演化。我印象最深的是关于“慢光”（Slow Light）现象的章节，作者详细剖析了光子晶体结构中群速度色散的数学描述，并且用大量的仿真图例说明了如何通过改变晶格常数来精确控制光的传播速度。这对我目前研究的**光纤通信**领域具有极大的启发意义。此外，书中对**时变电磁场**的分析也相当独到。它没有直接给出麦克斯韦方程组的通用解，而是引入了**体积积分方程（Volume Integral Equations）**来处理高度非线性和时变的边界条件，这在处理如强激光与物质相互作用等极端环境下的电磁响应时显得尤为重要。有一段文字讨论了**拓扑绝缘体**在电磁学中的潜在应用，提出了如何利用其边缘态来设计无损耗的波导，这种跨学科的融合性，使得这本书远超了一本纯粹的电磁学参考书的范畴，它更像是一份通往未来物理学应用的路线图。阅读过程中，时不时需要查阅高等数学和复变函数的基础知识，这无疑提高了阅读门槛，但也保证了内容的深度和可靠性。

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这本书的封面设计简直就是一场视觉盛宴，那种深邃的蓝色和金属感的线条交织在一起，立刻就能让人联想到高精尖的物理世界。我记得我是在一个学术会议的休息时间，偶然翻开这本厚重的著作的，当时就被它那种严谨而又充满前沿气息的氛围给吸引住了。首先吸引我的，是它开篇对于“复杂介质”的定义和分类，那里面涉及到大量的微分方程和边界条件的处理，看得出来作者在理论基础的构建上是下了血本的。我特别欣赏其中关于**非互易性**材料响应特性的探讨，它没有停留在教科书式的简单介绍，而是深入到了手征性（Chirality）对电磁波传播模式的深刻影响。例如，书中详细分析了在磁化等离子体中，电磁波如何进行偏振面旋转，以及这种现象如何被应用于新型的滤波器设计中。接着，它将视角转向了**超材料（Metamaterials）**，特别是那些具有负折射率特性的结构。作者并未满足于展示“隐身衣”的概念，而是着重探讨了如何通过调控亚波长尺度上的结构来实现对电磁场分布的精确操控。我至今记得其中一个章节，关于**完美超透镜（Perfect Lensing）**的理论极限和实际的局限性，那部分的数学推导极为复杂，但最终给出的结论——即如何通过精细的表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons）耦合来突破衍射极限——真是让人茅塞顿开。整本书给人一种感觉，它不是在简单地罗列知识点，而是在构建一个完整的、从基础理论到工程应用的思维框架。

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我必须承认，这本书的**阅读体验是“汗流浃背”的**，但这种智力上的挑战感恰恰是它的魅力所在。它不像一些科普读物那样试图用生动的比喻来简化复杂的物理现象，而是毫不留情地将读者推向**偏微分方程的深水区**。特别是在探讨**非线性电磁学**的部分，书中涉及了高斯光束在 Kerr 介质中的自聚焦现象，那部分关于**自作用效应**的稳定性分析，其复杂性远远超出了本科阶段的课程要求。更让我印象深刻的是，作者对**拓扑场论在电磁波传播中的应用**的尝试性介绍。虽然这部分内容相对前沿且尚未完全成熟，但作者清晰地指出了利用拓扑不变量来表征波导模式稳定性的巨大潜力。书中对**随机介质**中电磁波的**局部化（Localization）**现象也做了详尽的讨论，利用**韦氏积分方程**来估计平均自由程，这为理解实际工程中材料的微观不均匀性提供了强大的数学工具。这本书的排版清晰，公式编号系统严密，虽然内容艰深，但其严谨的结构使得读者可以相对方便地追溯引用，这一点对于需要进行深入研究的读者来说至关重要，它避免了在浩瀚的公式海洋中迷失方向。

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这本书给我的最大感受是**对“边界”的重新定义**。它不仅仅关注介质内部的电磁场行为，而是将大量的笔墨放在了**界面和缺陷**的处理上。例如，关于**梯度折射率（GRIN）材料**的分析，作者通过连续变化的面函数来描述折射率的梯度变化，并展示了这种梯度如何精确地引导电磁波束，类似于光线在不同密度介质中的折射路径。我特别关注了书中关于**超表面（Metasurfaces）**的章节，它超越了传统的平板结构，深入探讨了如何通过**亚波长厚度的二维材料阵列**来实现对电磁波的相位、振幅和偏振的**任意调制**。这部分内容与目前热门的**平板光学（Flat Optics）**紧密相关，书中提供的**琼斯矩阵（Jones Matrix）**分析方法，简洁而有力地揭示了超表面层对入射波的转换机制。此外，书中对**动态可重构电磁系统**的展望也极具前瞻性，讨论了如何利用**液晶或石墨烯**等材料来实现电磁参数的实时调控。总而言之，这本书像是为那些已经掌握了经典电磁学，并渴望触及下一代电磁器件设计前沿的研究者们量身打造的“进阶手册”，它既是对现有知识的系统梳理，更是对未来技术发展方向的深刻预判。

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