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页数:369

译者:

出版时间:2010-4

价格:36.00元

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isbn号码:9787811236651

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好的，这是一本关于高级量子信息处理与计算的图书简介。 --- 《前沿量子计算：从基础理论到工程实践的深度探索》 图书简介 本书旨在为信息科学、物理学、数学以及相关工程领域的专业人士和高阶学生提供一个深入、全面且富有洞察力的视角，探讨量子信息处理的前沿领域，特别是聚焦于构建、控制和应用下一代量子计算与通信系统所面临的理论瓶颈与工程挑战。本书内容不涉及任何关于“计算机应用基础教程”中的基础操作系统、办公软件使用、入门级网络知识或传统计算原理的阐述。 本书的叙事逻辑，严格围绕量子力学的非经典特性如何被巧妙地转化为强大的信息处理范式展开，其深度和广度，超越了对标准量子比特概念的简单介绍，直抵当前最尖端的、尚未完全成熟的研究方向。 第一部分：量子信息论的严密基础与超越（The Rigorous Foundations of Quantum Information Theory） 本部分从信息论的视角重构量子力学的基本公设，着重于信息如何在量子态的演化中被编码、传输和测量。 第一章：量子信息论的公理化视角与度量 本章摒弃了对经典信息论的简单类比，直接切入由冯·诺依依曼（von Neumann）定义的量子态空间结构。我们详细探讨了谱测度（Spectral Measures）在描述量子测量过程中的不可替代性，并深入分析了冯·诺依曼熵（Von Neumann Entropy）如何作为衡量量子系统纠缠程度和信息不确定性的核心指标，而非简单的经典信息熵的泛化。此外，本章对量子无克隆定理（No-Cloning Theorem）进行了严谨的数学证明，并讨论了该定理在安全通信协议设计中的基础性约束作用。 第二章：张量积空间与量子态的复杂结构 本章的核心是张量积（Tensor Product）在描述多体量子系统中的关键作用。我们详尽解析了可分离态（Separable States）与纠缠态（Entangled States）的数学判据，特别是对于两体和三体系统，重点剖析了贝尔态（Bell States）的代数结构和它们作为通用量子门操作基元的角色。更进一步，我们引入了密度矩阵（Density Matrices）的理论，用以精确描述开放量子系统中，特别是与环境发生退相干（Decoherence）过程时的混合态演化。 第三章：信息操作的酉变换群 本章专注于量子计算的“指令集”——酉变换（Unitary Transformations）。我们详细考察了泡利矩阵（Pauli Matrices）的代数性质及其在单比特旋转中的应用，并系统梳理了通用量子门集（Universal Gate Sets）的存在性证明。重点讨论了Solovay-Kitaev定理的意义，该定理保证了任意酉操作都可以通过有限集的近似实现，这对于实际硬件的可编程性至关重要。 第二部分：前沿量子计算架构与物理实现（Advanced Architectures and Physical Realizations） 本部分聚焦于当前最有希望实现大规模容错量子计算的几种主要物理平台，分析它们的优势、劣势以及面临的物理限制（Physical Constraints）。 第四章：超导电路量子比特（Superconducting Qubits）：从Transmon到Fluxonium 本章深入分析了基于超导约瑟夫森结（Josephson Junction）的量子比特的能级调控机制。我们详细推导了Transmon量子比特的哈密顿量，并解释了如何通过改变电容和电感参数来抑制高阶激发态的耦合。随后，本章探讨了Fluxonium和Three-Level Qubits在实现更高相干时间和更精确的单比特门操作方面的最新进展，以及大规模阵列中串扰（Crosstalk）问题的拓扑解决方案。 第五章：离子阱与中性原子阵列的精密操控 针对基于电磁阱囚禁的系统，本章侧重于激光冷却与微驱动（Laser Cooling and Micro-Driving）技术。我们解析了拉曼过程（Raman Processes）在实现精确的离子间纠缠门（如Mølmer–Sørensen门）中的应用，并探讨了如何利用光镊（Optical Tweezers）技术实现对数百个中性原子（如铷或锶原子）的动态重构和高保真度并行操作。 第六章：拓扑量子计算的理论前沿 本章完全脱离了对传统“点状”量子比特的依赖，转而探索非阿贝尔任意子（Non-Abelian Anyons）的理论潜力。我们详细介绍了马约拉纳费米子（Majorana Fermions）在特定二维电子气系统中的出现条件，并阐述了如何通过编织（Braiding）操作来实现内在抗噪的量子计算。这部分内容要求读者具备对拓扑场论的基础理解。 第三部分：纠错、算法与未来挑战（Error Correction, Algorithms, and Future Hurdles） 本部分探讨了如何从物理噪声中提取可靠的计算结果，以及如何设计能够超越经典极限的量子算法。 第七章：量子纠错码与容错计算（Fault-Tolerant Quantum Computation, FTQC） 本章是实现大规模量子计算的基石。我们从表面码（Surface Codes）的几何结构出发，详细解析了其稳定子（Stabilizer）结构和阈值定理（Threshold Theorem）的意义。我们将讨论逻辑量子比特（Logical Qubits）的编码方案，包括如何设计高效的重编码（Recoding）和错误解码（Decoding）算法，以实时抑制由环境噪声引起的错误累积。 第八章：超越Shor与Grover：变分量子算法与模拟 本章不再侧重于理论上具有指数加速的算法，而是转向当前NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）时代更具实践意义的变分量子本征求解器（Variational Quantum Eigensolver, VQE）和量子近似优化算法（Quantum Approximate Optimization Algorithm, QAOA）。我们深入分析了这些混合量子-经典算法的收敛性问题、“Barren Plateaus”现象及其缓解策略，并探讨了它们在分子模拟和材料科学中的应用潜力。 第九章：量子网络与分布式计算的挑战 本书的终章将视野扩展到超越单机计算范畴，探讨量子中继器（Quantum Repeaters）的设计原理。我们分析了纠缠交换（Entanglement Swapping）在延长远距离量子通信保真度方面的核心作用，并讨论了如何利用基于固体的量子存储器（Solid-State Quantum Memories）作为网络节点。本章的重点在于解决光子到物质态之间的转换效率和相干时间匹配的工程难题。 --- 目标读者： 本书面向具备扎实的线性代数、复变函数和基础量子力学知识的研究人员、高级研究生，以及希望在量子技术领域进行深度研发的工程师。本书的阅读体验，将是一次严谨的、直面当前科学最前沿的思维体操。

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