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页数:307

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出版时间:2009-4

价格:34.00元

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isbn号码:9787560530277

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现代量子计算的基石：从理论框架到前沿实验 作者：张伟 李娜 王明 出版社：科学技术文献出版社 出版日期：2024年6月 --- 内容提要 本书系统而深入地探讨了现代量子计算领域的核心理论、关键技术以及最新的实验进展。聚焦于如何利用量子力学的奇异特性——叠加态和量子纠缠——来实现超越经典计算机的计算能力，本书为读者构建了一个从基础物理原理到复杂算法实现的完整知识图谱。全书共分为五大部分，涵盖了量子信息论的数学基础、量子比特的物理实现方案、核心量子逻辑门的设计与操作、当前主流的量子算法的原理分析，以及当前全球在超导、离子阱、光量子等平台上的工程化挑战与突破。本书尤其注重将抽象的量子力学概念与具体的工程实践紧密结合，旨在培养读者独立分析和设计新型量子系统的能力。 --- 第一部分：量子信息论与数学基础 本部分是理解整个量子计算领域的基石，详细阐述了支撑量子信息处理的数学工具和物理学原理。 第一章 量子力学的复习与信息论视角： 本章首先回顾了量子力学的基本公设，重点强调了态矢量空间、希尔伯特空间（Hilbert Space）的概念及其在高维系统中的应用。随后，引入了量子信息论的核心——密度矩阵（Density Matrix） formalism，用以描述混合态和开放量子系统的行为。详细解析了量子测量理论，包括投影测量、弱测量以及量子态层析成像的基本思想。本章引入了信息论中的关键概念，如冯·诺依依曼熵（Von Neumann Entropy）和量子互信息（Quantum Mutual Information），为后续的量子信道容量和纠错奠定了理论基础。 第二章 量子比特与量子操作的代数描述： 量子比特（Qubit）作为量子信息的基本单元，其二维复向量空间表示被深入剖析。讨论了泡利矩阵（Pauli Matrices）在单比特操作中的作用，并将其推广到多比特系统，引入了张量积（Tensor Product）的概念来描述复合系统的状态。本章重点介绍了幺正演化（Unitary Evolution）在量子计算中的核心地位，所有无损的量子操作都必须是幺正的。详细阐述了由泡利矩阵和恒等矩阵构成的标准基的旋转操作，并引入了施密特分解（Schmidt Decomposition）来量化量子纠缠的程度。 第三章 量子纠缠的量化与性质： 纠缠是量子计算相对于经典计算的根本优势所在。本章深入探讨了贝尔态（Bell States）的构建及其非定域性。着重分析了量化纠缠的度量标准，如纠缠熵（Entanglement Entropy）和纠缠值（Entanglement of Formation）。通过对EPR对的讨论，阐明了纠缠的非经典关联特性，并初步接触了诸如GHZ态和W态等重要的多体纠缠态。本章还简要介绍了纠缠在量子隐形传态和量子密码学中的应用潜力。 --- 第二部分：量子计算的物理实现平台 本部分聚焦于当前研究中最具前景的几大物理体系，分析了每种平台在可扩展性、相干时间和保真度方面的优势与挑战。 第四章 超导电路量子计算： 本章详述了基于超导电路，尤其是基于约瑟夫森结（Josephson Junction）的量子比特（如Transmon Qubit）的工作原理。分析了其能级结构、微波驱动下的能级跃迁以及如何实现单比特和双比特门操作。重点讨论了退相干（Decoherence）的物理机制，包括电荷噪声、磁通噪声和读出误差，并介绍了分流电容、电荷屏蔽等工程手段对提高相干时间的贡献。同时，探讨了如何通过二维或三维阵列（如Heavy-Hex Lattice）来构建大规模超导量子芯片。 第五章 囚禁离子量子计算： 离子阱技术以其极高的量子门保真度著称。本章详细描述了如何使用射频（RF）或彭宁（Penning）离子阱来稳定单个带电原子（如$^{171} ext{Yb}^+$或$^{40} ext{Ca}^+$）。解析了激光冷却（Doppler Cooling, Sideband Cooling）技术如何将离子的内态和运动状态冷却到基态。核心内容在于Mølmer–Sørensen (MS) 门等二维激光脉冲如何通过激发离子的集体振动模式（声子模式）来实现可靠的双比特纠缠操作。本章也分析了离子传输和多模块互联的挑战。 第六章 中性原子与光量子计算前沿： 本章分别介绍了基于中性原子（如铷、铯）在光镊（Optical Tweezer）中阵列的最新进展，特别是利用里德堡态（Rydberg States）实现长程、高效率的Rydberg Blocking门。接着，转向了基于光子的量子计算，包括线性光学量子计算（LOQC）的原理，以及如何利用路径编码、偏振编码等方式编码量子信息。重点讨论了“簇态量子计算”（Cluster State Quantum Computation）的概念及其对高效光子源和单光子探测器的苛刻要求。 --- 第三部分：量子算法与复杂度分析 本部分将理论知识应用于解决实际问题的算法设计，并对量子计算的潜力进行了理论上的界定。 第七章 经典量子计算的桥梁： 本章首先介绍了量子傅里叶变换（QFT）及其在Shor算法中的核心地位，详细推导了QFT的实现电路。随后，深入分析了量子相位估计算法（QPE）的结构，这是许多酉操作分析的基础。此外，还探讨了量子行进算法（Quantum Walks）的理论构建及其与经典随机游走的对比，为量子搜索算法的开发提供了新的视角。 第八章 搜索与因式分解的革命： 本章将重点放在两个里程碑式的算法上：Shor算法和Grover算法。对Shor算法的完整流程进行了分解，包括周期寻找子程序的精确实现。对于Grover算法，详细分析了其迭代器的几何意义，推导了实现平方加速的迭代次数，并讨论了如何将该算法扩展到非结构化数据库搜索的更一般情形。 第九章 变分量子本征求解器（VQE）与量子机器学习： 本章聚焦于NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代的可行性算法。VQE作为混合量子-经典优化算法的代表，被详细剖析了其Ansatz（试探波函数）的设计、哈密顿量模拟的编码方法以及经典优化器的选择。此外，还初步探讨了量子机器学习的初步框架，如量子支持向量机（QSVM）和量子神经网络（QNN）的张量网络表示。 --- 第四部分：量子纠错与容错计算 要实现大规模、通用量子计算，必须解决高错误率的问题。本部分专注于量子纠错码的设计与实现。 第十章 量子错误的类型与度量： 本章详细分类了量子系统可能遭受的错误，包括比特翻转（Bit Flip）、相位翻转（Phase Flip）和综合错误。介绍了衡量错误率的度量标准，如保真度（Fidelity）和保真度距离。对开放系统的演化进行了数学建模，引入了量子通道（Quantum Channel）的概念及其Choi矩阵表示。 第十一章 经典编码的量子化： 在引入复杂的量子纠错码之前，本章探讨了将经典海明码（Hamming Code）的原理推广到量子比特上，如三比特比特翻转码。接着，引入了重要的量子纠错码家族，特别是表面码（Surface Code）和拓扑码（Topological Codes）。 第十二章 表面码与容错的实现： 表面码因其高容错阈值和二维阵列的物理可实现性而成为当前研究的热点。本章深入解析了表面码的校验子（Stabilizer Operators）的构造，及其在二维网格上的布局。详细描述了如何通过测量这些校验子来定位错误，以及阈值理论（Threshold Theorem）如何保证只要物理错误率低于某个临界值，逻辑错误率就可以指数级降低。本章最后讨论了逻辑门的实现，特别是“扭转”（Twist）操作在表面码逻辑门集中的应用。 --- 第五部分：量子硬件的工程挑战与未来展望 本部分将目光投向工程实践，讨论了构建实用量子计算机所面临的实际障碍以及产业化的方向。 第十三章 低温与真空环境的工程： 针对超导和离子阱系统，本章详细介绍了实现量子计算所需的极端环境控制技术。重点讲解了稀释制冷机（Dilution Refrigerator）的工作原理及其在达到毫开尔文级别的挑战。讨论了高真空系统在离子阱实验中的重要性，以及射频/微波控制系统中的串扰和布线密度问题。 第十四章 控制电子学与快速脉冲生成： 量子比特的操作依赖于皮秒级乃至纳秒级的精确控制脉冲。本章分析了如何设计和生成高保真度的微波或激光脉冲序列。讨论了实时反馈系统（Real-Time Feedback）在量子门校准和错误缓解中的作用。特别关注了FPGA和ASIC技术在加速控制回路中的应用。 第十五章 量子计算的互联与扩展： 实现百万级量子比特需要跨越单个芯片的限制。本章探讨了量子网络和量子中继器（Quantum Repeater）的基础概念。针对特定平台，讨论了离子阱之间的光子互联、超导芯片之间的片上耦合技术，以及光子传输在远距离量子通信中的应用潜力。 第十六章 未来展望与跨学科融合： 本章总结了当前量子计算发展的主要瓶颈（如相干时间、门保真度和可扩展性），并对下一代量子硬件的可能方向进行了展望，例如拓扑量子比特或基于硅的自旋量子比特。最后，强调了量子计算与其他前沿技术（如AI、材料科学）的深度融合所能带来的变革性机遇。 --- 本书特点： 理论深度与实践紧密结合： 避免了纯理论的晦涩，引入了大量实际实验参数和工程考量。 覆盖面广： 系统梳理了主流的物理平台，为跨领域研究提供了通用框架。 面向工程师与研究人员： 适合物理学、计算机科学、电子工程等专业的硕士和博士研究生，以及希望进入量子计算领域的专业技术人员。 数学严谨： 确保所有关键概念都有清晰的代数或概率论基础支撑。

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这本《多媒体技术及应用》真是一本宝藏！我一直对如何将文字、图像、声音、视频等多种元素巧妙地融合在一起感到好奇，这本书简直满足了我所有的求知欲。它不仅详细介绍了各种多媒体技术的原理，比如数字图像的压缩编码（JPEG、MPEG），音频的采样与量化（MP3、WAV），以及视频的流媒体传输等，还深入剖析了这些技术在现实生活中的广泛应用。我特别喜欢它对用户界面设计（UI/UX）的阐述，如何通过直观易懂的设计来提升用户体验，这在如今强调用户感受的时代尤为重要。书中的案例分析也很到位，从在线教育平台的互动设计，到沉浸式虚拟现实（VR）体验的构建，再到智能家居的语音交互系统，都让我对多媒体技术的力量有了更深刻的认识。虽然我不是技术专业出身，但作者的语言通俗易懂，图文并茂，即使是初学者也能轻松入门。我尤其欣赏书中对多媒体技术发展趋势的展望，比如人工智能在内容生成和个性化推荐方面的潜力，让我对未来的数字世界充满期待。读完这本书，我感觉自己对身边的数字产品有了全新的理解，也激发了我探索更多相关领域的兴趣。

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《多媒体技术及应用》这本书，与其说是一本技术手册，不如说是一次穿越数字时代的奇妙旅程。它带领我从最基础的多媒体概念入手，一步步解锁了那些构成我们数字生活的“魔法”。从像素的奥秘，到色彩的语言，再到声音的波形，每一部分都讲解得鞭辟入里，仿佛一位耐心渊博的老师，将复杂的概念娓娓道来。我尤其惊喜于书中关于动画制作和交互设计的章节，那些精美的插画和生动的案例，让我看到了创意与技术如何碰撞出令人惊叹的火花。例如，书中关于三维动画的渲染流程，从建模、绑定到材质、灯光，每一步都清晰可见，让我对那些逼真的电影特效有了更深层次的理解。还有关于游戏设计的交互逻辑，如何通过精心设计的操作反馈，让玩家沉浸其中，这种体验的魔力正是多媒体技术所赋予的。我印象深刻的是书中所提及的，不同平台和设备之间多媒体数据的兼容性问题，以及如何通过标准化的协议来解决这些挑战，这对于理解互联网时代信息的流动至关重要。这本书让我意识到，我们每天接触到的海量信息，背后都凝聚着无数工程师和设计师的心血，是多媒体技术的强大支撑，才使得这一切成为可能。

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我之前一直觉得多媒体技术离我非常遥远，直到我翻开这本《多媒体技术及应用》，才发现原来它早已渗透到我生活的方方面面。书中的内容涵盖了从基础的图像处理到复杂的视频编码，再到引人入胜的虚拟现实体验，每一个知识点都给我带来了意想不到的启发。我最感兴趣的是书中关于交互式多媒体的讨论，例如如何设计一个能够引导用户完成特定任务的教学软件，或者如何构建一个能够提供实时反馈的游戏环境。书中的案例分析非常贴合实际，我看到了如何将多媒体技术应用于医疗保健，比如通过虚拟现实进行手术模拟训练，或者通过远程视频诊断提升医疗效率。我还学到了很多关于音频处理的知识，比如如何对声音进行降噪、混响以及如何实现语音识别，这让我对那些智能语音助手的功能有了更清晰的认识。这本书还深入探讨了多媒体技术在文化传播领域的应用，比如数字博物馆的建设，如何通过多媒体技术将历史文物以更生动、更具互动性的方式呈现给观众，这让我感受到了科技在传承文明方面的巨大潜力。总的来说，这本书让我看到了多媒体技术不仅仅是技术本身，更是连接信息、创意和人的强大桥梁。

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对于我这样一个刚刚开始接触数字媒体设计的人来说，《多媒体技术及应用》这本书简直就是一盏明灯。它系统地梳理了多媒体技术发展的脉络，并且深入浅出地讲解了各种核心概念。我非常欣赏书中关于用户体验设计（UX）的部分，它不仅仅强调技术实现，更关注用户在与多媒体内容互动时的感受。书中通过大量的图例和实际案例，展示了如何通过合理的设计，让用户更容易地理解信息，更顺畅地完成操作。我尤其关注书中关于Web多媒体技术的介绍，例如HTML5在富媒体内容支持方面的进步，以及各种前端框架如何简化多媒体内容的开发和部署，这让我对构建动态、交互式的网页有了更清晰的规划。我还学习到了很多关于数字版权保护（DRM）的知识，这对于确保多媒体内容的合法传播和使用至关重要，尤其是在如今内容泛滥的数字时代。书中还探讨了多媒体技术在教育信息化方面的应用，例如如何利用多媒体课件、在线学习平台来提升教学效果，这让我看到了科技赋能教育的巨大潜力。这本书不仅提供了技术知识，更重要的是，它教会了我如何从用户的角度去思考多媒体内容的创造和应用。

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《多媒体技术及应用》这本书，对我这个一直对创意产业充满向往的人来说，无疑是一份极具价值的参考。它不仅仅罗列了各种技术名词，而是以一种非常宏观的视角，解读了多媒体技术如何驱动着创意产业的革新。书中关于数字媒体内容的创作流程，从剧本策划、拍摄、后期制作到最终的发布与传播，都进行了详尽的解析。我特别喜欢其中关于数字动画和特效制作的章节，它揭示了那些令人惊叹的视觉效果背后所涉及的复杂技术，例如粒子系统、动力学模拟以及运动捕捉等。这些内容让我看到了技术如何成为艺术家实现想象力的强大翅膀。此外，书中对多媒体在营销和广告领域的应用也进行了深入的探讨，例如如何利用交互式广告和个性化视频内容吸引消费者，如何通过虚拟现实技术打造沉浸式的品牌体验，这让我对未来的营销模式有了全新的认识。我还会想到书中提到的，如何利用多媒体技术进行数据可视化，将复杂的统计数据转化为直观易懂的图表和动画，这对于信息传播和决策分析都具有重要意义。这本书让我明白，多媒体技术不仅仅是技术，更是连接创意与市场的关键枢纽。

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