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☆☆☆☆☆

出版者:Springer

作者:Zoya Ignatova

出品人:

页数:302

译者:

出版时间:2010-11-5

价格:USD 149.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781441944641

丛书系列:

图书标签:

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好的，这里有一份关于一本假想图书的详细简介，该书主题为“量子信息理论与前沿应用”，内容与“DNA Computing Models”无关。 --- 量子信息理论与前沿应用：从基础原理到下一代技术构建 作者： 张 伟 教授，李 明 博士 出版社： 创新科技出版社 页数： 约 850 页 出版日期： 2024 年 10 月 图书概述 《量子信息理论与前沿应用》是一部系统性、深入探讨量子信息科学核心原理、关键技术以及未来应用前景的综合性专著。本书旨在为物理学、计算机科学、电子工程及相关领域的学生、研究人员和工程师提供一个坚实的理论基础和清晰的技术路线图。全书内容聚焦于量子力学如何被利用来处理和传输信息，特别强调了量子计算、量子通信和量子测量技术的最新进展与挑战。 本书突破了传统量子力学教科书的范畴，将理论阐述与实际工程实现紧密结合，详尽分析了当前构建可扩展、容错量子系统的关键物理学和技术难题。我们避免了对生物计算或分子计算的讨论，而是将全部篇幅投入到光子、超导电路、离子阱等主流量子信息载体及其控制机制的深度剖克中。 详细章节内容 本书共分为六个主要部分，涵盖了从基础概念到尖端研究的完整知识体系： 第一部分：量子信息学的基本要素 本部分为理解后续复杂理论奠定了不可或缺的基础。我们首先回顾了必要的高级线性代数和群论知识，确保读者具备阅读量子态描述所需的数学工具。 第 1 章：量子力学基础回顾与信息论的交汇点 深入探讨了狄拉克符号体系在信息描述中的应用。重点解析了量子态的完备性、测量公设及其在信息熵（冯·诺依依曼熵）中的体现。详细区分了经典信息与量子信息的根本差异，并引入了密度矩阵（Density Matrix）的概念，用以描述混合态和退相干过程，这是理解实际量子系统性能的关键。 第 2 章：量子比特（Qubit）的物理实现与编码 本章详细分类讨论了当前主流的量子比特载体。对超导电路（Transmon Qubits）的能级结构、电荷噪声敏感性进行了深入的电磁学分析。同时，对捕获离子（Trapped Ions）的能级跃迁、激光冷却和微波操控技术进行了详尽的物理机制阐述。此外，还涵盖了拓扑量子比特的潜在优势和当前的实验挑战。 第 3 章：量子纠缠：资源与度量 纠缠被定义为量子计算的核心资源。本章着重讲解了纠缠的数学形式，如贝尔态（Bell States）的构造和验证。深入分析了纠缠的量化指标，包括纠缠熵、纠缠保真度和纠缠见证技术。对多体系统中的纠缠结构，如GHZ态和W态，进行了详尽的对比分析。 第二部分：量子计算的算法与模型 本部分聚焦于如何利用量子叠加和纠缠特性来设计超越经典极限的计算过程。 第 4 章：量子门集与电路模型 本章系统性地介绍了基本单比特门（如泡利门、Hadamard门）和双比特门（如 CNOT、iSWAP 门）的矩阵表示及其物理操作原理。探讨了通用量子门集的完备性，以及如何通过物理操作实现高保真度的量子逻辑门。 第 5 章：著名量子算法的深入解析 详细剖析了肖尔（Shor’s）算法在因子分解中的加速机制，重点解析了量子傅里叶变换（QFT）的核心步骤和电路深度。对格罗弗（Grover’s）搜索算法的幅度放大机制进行了严格的数学推导和性能分析。此外，还介绍了量子行进（Quantum Walks）在搜索问题中的应用潜力。 第 6 章：变分量子算法（VQA）与混合模型 针对当前含噪声中等规模量子（NISQ）设备限制，本章重点介绍了变分量子本征求解器（VQE）和量子近似优化算法（QAOA）。阐述了 VQA 的经典优化器与量子电路执行器之间的迭代循环机制，以及它们在分子模拟和组合优化中的实际构建路径。 第三部分：量子纠错与容错架构 在实际构建大规模量子计算机的道路上，噪声和错误是最大的障碍。本部分完全致力于解决这一核心工程问题。 第 7 章：经典信道中的量子误差 系统地建立了量子信道模型，包括位翻转（Bit-flip）和相位翻转（Phase-flip）误差。详细分析了量子态的退相干过程（Decoherence），包括 $T_1$（能量弛豫）和 $T_2$（相干时间）参数的物理来源和测量方法。 第 8 章：编码原理与表面码（Surface Code） 本章深入探讨了量子纠错码的理论基础，包括阈值定理。着重讲解了表面码的格结构、稳定子测量以及如何通过局部操作实现对逻辑量子比特的保护。对实现表面码所需的物理耦合拓扑结构进行了详细的布局设计讨论。 第 9 章：容错量子计算的架构挑战 讨论了实现容错量子计算所需的关键技术，如逻辑门的鲁棒性实现（如奇偶校验逻辑门的测量反馈）、错误识别与修复的实时性要求，以及如何在多层级架构中管理和调度逻辑操作。 第四部分：量子通信与量子网络 本部分转向信息的安全传输和远距离量子态分发。 第 10 章：量子密钥分发（QKD）的物理实现 详细阐述了 BB84 协议的原理及其在光纤信道中的实际部署。对 E91 协议中基于纠缠的安全性进行了数学证明。着重分析了实际 QKD 系统中面对探测器效率限制和背景噪声的工程优化方案。 第 11 章：量子态层析（Quantum State Tomography） 本章讲解了如何通过一系列完备的测量来精确重建未知量子态的全貌。对比了直接层析、基于压缩感知（Compressed Sensing）的层析技术，并讨论了在大型系统中进行有效状态验证的策略。 第 12 章：量子中继器与未来量子互联网 探讨了远距离量子通信面临的信道损耗问题，并介绍了量子纠缠交换（Entanglement Swapping）和纠缠提纯（Entanglement Purification）技术，这些是构建可扩展量子网络中继站的核心技术。 第五部分：前沿量子传感与计量 本部分关注量子效应在超越经典极限的精密测量中的应用。 第 13 章：量子增强测量（Quantum Enhanced Metrology） 本章介绍了如何利用海森堡极限（Heisenberg Limit）来超越标准量子极限（SQL）。重点分析了如何通过制备壮丽态（NOON States）或使用压缩态（Squeezed States）来提高信号的信噪比，尤其是在干涉测量中的应用。 第 14 章：原子钟与磁力计的量子升级 详细介绍了基于光晶格（Optical Lattices）和囚禁离子技术的下一代原子钟的精度提升机制。讨论了 NV 色心（Nitrogen-Vacancy Centers）在室温下作为高灵敏度磁场和电场传感器的应用潜力及其局限性。 第六部分：结论与展望 第 15 章：当前挑战与研究方向 本章总结了当前量子信息领域面临的主要技术瓶颈，包括量子比特的可扩展性、高保真度两比特门的工程难度、以及构建全功能量子操作系统的软件栈需求。展望了面向特定应用的量子模拟器（Quantum Simulators）与通用量子计算机的并存发展路线。 --- 本书特色 严谨性与实践性并重： 每个理论概念后都附有相应的物理模型或电路图示，帮助读者理解理论如何转化为可操作的实验或工程设计。 前沿性： 囊括了近五年内量子纠错码、变分算法和量子网络架构方面的最新突破性研究成果。 清晰的数学框架： 确保读者在掌握物理直觉的同时，能够进行严格的数学推导和性能分析。 本书是量子技术从业者、高年级本科生和研究生进入量子信息交叉学科领域不可或缺的工具书。它提供了理解和参与构建下一代信息技术的蓝图。

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阅读这本书的过程，就像是进行一场高强度的智力马拉松。作者对材料的把握达到了近乎苛刻的程度，每一个模型——无论是基于酶反应的，还是基于分子识别的——都被描绘得栩栩如生，仿佛我能亲手操作这些分子进行计算一般。我尤其欣赏作者在讨论局限性时所展现出的诚实和批判精神。他没有过度美化这项技术，而是直面了当前DNA计算在速度、可靠性和可扩展性方面面临的巨大挑战。这种平衡的视角，使得整本书的论述更具说服力。比如，关于“错误纠正”机制的探讨，作者不仅列举了现有的生物学解决方案，还深入挖掘了如何在计算框架内优化这些方案，这显示出作者深厚的跨学科功底。这本书非常适合那些希望将理论知识转化为实际研究方向的博士生或资深研究人员，它提供的不仅仅是“是什么”，更是“如何做得更好”的思考起点。读完后，我感觉自己对分子层面的信息处理有了全新的、更具结构性的认识。

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我必须说，这本书在深度和广度上都超出了我的预期。原以为它会偏向某一个单一的应用方向，比如生物传感或者药物递送中的计算，但它展现出了一种宏大的视野，将分子世界视为一个等待被重新定义的计算平台。作者在描述“可编程性”时所使用的比喻极为精妙，他将DNA链的碱基配对规则类比为一套极其优雅的指令集，这极大地拓宽了我对“指令”这一概念的理解。这本书的章节标题本身就极具启发性，充满了对未知领域的探索欲。它成功地架设起了一座桥梁，连接了冷冰冰的逻辑门和充满生机的生物分子。对于那些渴望超越硅基计算限制，探索信息处理全新维度的研究人员来说，这本书简直就是一本“灯塔”。它不仅提供了前沿的技术细节，更重要的是，它激发了读者对“计算本质”的深刻反思，引导我们思考：生命本身是不是最完美的计算系统？阅读体验是极度充实且富有启发性的。

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这本书的封面设计实在是太吸引人了，那种深邃的蓝色调配上复杂的交织线条，让人一眼就能感受到它蕴含的深邃和专业性。我一开始被它的名字吸引，以为会是一本专注于基础的计算理论书籍，但翻开目录才发现，它更像是一次对生物计算前沿领域的全面探索。作者的行文风格非常严谨，每一个公式和推导都经过了细致的考量，让人在阅读过程中充满了信服感。尤其是在介绍几种不同的生物分子计算模型时，他没有仅仅停留在概念层面，而是深入剖析了每种模型的底层逻辑和潜在的局限性，这种深度思考的写作方式，对于我们这些希望深入理解该领域的读者来说，无疑是一份宝贵的财富。我特别喜欢其中关于核酸自组装机制与计算能力之间联系的章节，它巧妙地将生物学的直观美感与数学的精确性结合起来，读起来既有启发性又充满乐趣。这本书绝不是那种走马观花的科普读物，它要求读者具备一定的数学和计算机科学基础，但对于愿意投入精力的学习者来说，它提供的知识密度是惊人的。

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这本书的章节组织结构极其清晰，逻辑链条非常顺畅，这对于处理如此复杂的主题至关感重要。从最初的理论基石到后期的应用前景，作者似乎精心规划了读者的认知曲线，确保我们不会在半路迷失方向。我个人对其中对“非冯·诺依曼”架构的论述印象最为深刻。它不仅仅是将DNA计算视为图灵机的替代品，而是将其置于一个更广阔的计算哲学背景下进行审视。作者巧妙地运用了类比和对比的手法，将抽象的生物过程转化为读者可以把握的计算步骤，这一点非常值得称赞。例如，在阐述细胞自动机在DNA计算中的应用时，那种层层递进的解释，使得原本晦涩难懂的概念变得豁然开朗。这本书的排版也做得非常出色，图表清晰，关键术语的标注也很到位，这极大地减轻了长时间阅读带来的疲劳感。它更像是一本教科书与前沿研究报告的完美结合体，既有教育的严谨性，又不失探索的激情。

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这本书的语言风格带着一种沉静而有力的学术气息，但又不至于让人感到枯燥乏味。作者似乎有一种魔力，能将那些原本只存在于高精度实验室中的过程，用一种既准确又富于画面感的文字描述出来。我特别注意到作者对历史脉络的梳理，他没有跳过那些关键的先驱工作，而是将它们巧妙地穿插在对当代模型的介绍之中，使得整个DNA计算的发展史如同一部跌宕起伏的史诗。读到关于早期尝试和失败的记录时，我深感敬佩这些先驱者们的毅力和远见。这本书的参考书目部分也极为详尽和专业，几乎涵盖了该领域所有里程碑式的论文，这本身就是一本极好的研究指引手册。对我而言，这本书最重要的价值在于，它构建了一个坚实的理论框架，让我能够以一种更系统、更少盲点的方式去理解未来生物计算的可能性边界。它不是简单的知识罗列，而是一套思维工具箱。

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