Molecular Realizations of Quantum Computing 2007 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Rahimi, Robabeh 编

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页数:267

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价格:$ 88.14

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isbn号码:9789812838674

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图书标签:

• 量子计算
• 分子计算
• 量子信息
• 纳米技术
• 化学物理
• 凝聚态物理
• 计算化学
• 分子模拟
• 自组装
• 材料科学

探寻量子计算的物质基石：基于分子体系的实现路径 图书名称： Molecular Realizations of Quantum Computing 2007 内容概述： 本书并非聚焦于 2007 年特定出版物《Molecular Realizations of Quantum Computing 2007》的全部或部分内容，而是旨在系统、深入地探讨量子计算领域中一个至关重要的分支：如何利用分子体系的内禀量子特性来实现可操作的量子比特（Qubits）和执行量子逻辑门。本书将从基础的量子信息理论出发，逐步深入到分子物理、化学动力学以及凝聚态物理的交叉领域，为读者构建一个从微观尺度到宏观计算范式的完整图景。 第一部分：量子计算的理论基础与分子系统的契合 本部分将为读者奠定必要的理论框架，并论证分子系统在作为量子计算载体方面的独特优势和内在挑战。 第一章：量子信息学的核心概念重申 量子计算的潜力源于叠加态和纠缠现象。本章将回顾量子比特的定义、量子门操作（如泡利操作、Hadamard 门、CNOT 门）的矩阵表示，以及量子算法（如Shor算法和Grover算法）的基本原理。重点在于强调对退相干时间（$T_2$）和保真度（Fidelity）的要求，这些指标直接决定了分子系统的可行性。 第二章：分子作为量子比特的物理模型 分子系统的量子态是什么？本章将详细分析作为量子比特的候选者，如分子内部的电子自旋态、核自旋态、振动能级或电子激发态。我们将讨论如何利用电子顺磁共振（EPR）或核磁共振（NMR）的原理来精确操控这些微观自由度。关键在于定义“可寻址性”（Addressability）：如何确保对特定分子的特定能级进行精确的、无串扰的操作。 第三章：环境耦合与退相干机制 分子系统必然与周围环境（溶剂、晶格振动、其他分子）发生耦合，导致量子相位的丢失，即退相干。本章将深入探讨分子系统中的主要退相干机制，包括： 1. 弛豫过程（$T_1$ 过程）： 能量的耗散。 2. 相干时间损耗（$T_2$ 过程）： 纯粹的相位信息丢失。 我们将引入密度矩阵形式来描述开放量子系统，并分析不同分子结构（例如，固态薄膜中的孤立分子与溶液中的布朗运动分子）对退相干特性的影响。 第二部分：分子量子比特的实现技术与操控 本部分聚焦于实现和控制分子量子比特的实验技术和理论设计，涵盖了当前研究中最具前景的几种分子平台。 第四章：基于电子自旋的分子量子比特（分子磁体与色心） 电子自旋是实现高$T_2$时间的重要载体。本章将重点研究： 1. 单分子磁体（SMMs）： 例如，基于稀土元素的分子簇，利用其巨大的磁各向异性势垒来稳定自旋态。探讨如何利用微波脉冲实现自旋的反转和受控演化。 2. 固态色心中的分子掺杂： 探讨将特定分子（如卟啉衍生物或有机自由基）嵌入到无机基质（如金刚石或硅中）的潜力，利用基质的低噪声环境来保护电子自旋量子态。 第五章：核自旋作为量子信息存储器 核自旋通常比电子自旋具有更长的相干时间。本章将详细阐述如何利用核自旋作为长效存储单元： 1. 分子内部的核自旋耦合： 分析不同原子核之间的超精细耦合（Hyperfine Coupling），并将其作为实现两比特门（如CNOT）的自然相互作用。 2. 化学修饰与屏蔽： 如何通过化学手段（如氘代或引入富集同位素）来减少非目标核自旋带来的环境噪声，从而提高特定核自旋的可控性。 第六章：分子体系中的量子门操作 实现通用量子计算需要一系列高质量的单比特和两比特逻辑门。本章将分析分子体系特有的门操作机制： 1. 激发态转移门： 利用分子间的FRET（Förster共振能量转移）或电子隧穿效应来实现比特间的受控信息交换。 2. 拉曼激发和选择性激发： 探讨如何利用精细调谐的激光脉冲，实现对特定分子能级的非线性响应，从而实现高保真度的单比特旋转操作。 第三部分：从分子到计算阵列的扩展性挑战 构建实用的量子计算机需要可扩展的架构。本部分探讨如何将单个分子量子比特阵列化，并解决读出和纠错的难题。 第七章：分子阵列的构建与连接 如何将数百万个分子量子比特集成在一个芯片上是核心挑战。本章将探讨几种宏观集成策略： 1. 自组装技术： 利用化学键合和分子间力，指导分子在二维或三维结构中自发形成周期性阵列。 2. 光刻与图案化： 探讨利用现代微电子技术，将分子材料沉积到预先图案化的电极阵列上，实现电学寻址。 3. 分子间相互作用的工程化： 讨论如何精确设计分子间的距离和耦合强度，以优化网络拓扑结构，满足特定量子算法的要求。 第八章：量子态的测量与读出 可靠的读出机制是验证计算结果的关键。本章分析分子系统特有的读出方法： 1. 荧光/磷光信号分析： 利用量子态变化导致的发射光谱的细微差别进行测量。 2. 电荷转移与单电子晶体管（SET）耦合： 将分子量子态的变化耦合到一个高灵敏度的电荷传感器上，实现高空间分辨率的读出。 第九章：展望：分子量子计算的未来方向 本章总结了分子计算平台相对于传统固态系统（如超导或离子阱）的独特地位。我们将讨论如何利用分子设计（化学合成）的灵活性来主动克服退相干和可扩展性限制，并展望在混合量子系统中，分子单元可能扮演的特定角色（例如，作为长寿命存储或纠缠源）。本书的结论强调，精细的分子工程学是实现实用量子计算不可或缺的一环。

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