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出版者:機械工業齣版社

作者:薛靜鋒

出品人:

頁數:176

译者:

出版時間:2004-6-1

價格:20.0

裝幀:平裝(無盤)

isbn號碼:9787111141662

叢書系列:

圖書標籤:

• Security
• 入侵檢測
• 網絡安全
• 信息安全
• 安全技術
• 計算機網絡
• 惡意代碼
• 異常檢測
• 數據安全
• 防禦技術
• 安全防護

《量子信息與計算：從基礎理論到前沿應用》 內容簡介 本書全麵深入地探討瞭量子信息科學與量子計算的理論基礎、核心技術及其在信息處理、通信和傳感等領域的廣泛應用。它旨在為物理學、計算機科學、電子工程及相關領域的學生、研究人員和工程師提供一個清晰、嚴謹且與時俱進的學習框架。 全書共分為五大部分，共十六章，結構上由基礎概念層層遞進至復雜的前沿技術，力求在理論深度與工程實踐之間取得平衡。 第一部分：量子力學基礎與信息論（第1章至第3章） 本部分是理解量子信息技術的理論基石。 第1章：經典信息論迴顧與量子化基礎 首先簡要迴顧香農的信息論，明確經典信息處理的極限。隨後，引入量子力學的基本公設，包括希爾伯特空間、態矢量、算符、測量理論（投影公設）和幺正演化。重點討論狄拉剋符號的運用，並引入量子比特（Qubit）作為信息載體的基本概念，闡釋其與經典比特的本質區彆——疊加態和不可剋隆定理。 第2章：量子態的描述與演化 深入探討多量子比特係統的張量積結構，描述復閤係統的量子態。詳細分析純態（Pure States）和混閤態（Mixed States）的數學描述，特彆是密度矩陣（Density Matrix）的引入及其物理意義。闡述時間演化由薛定諤方程控製，並引入量子綫路模型作為操作的框架。 第3章：量子糾纏的本質與度量 糾纏是量子信息的核心資源。本章將糾纏定義為不可分離性，並詳細介紹貝爾態（Bell States）作為最大糾纏態的例子。深入探討糾纏的量化指標，如糾纏熵、保真度（Fidelity）和糾纏見證（Entanglement Witness），並討論糾纏的産生、傳遞和退相乾（Decoherence）效應。 第二部分：量子計算模型與基本門集（第4章至第6章） 本部分聚焦於構建量子計算機的理論工具和基本操作單元。 第4章：量子綫路模型與通用門集 詳細闡述量子綫路模型，說明酉變換在量子計算中的核心地位。分析單個量子比特的基本操作，如泡利矩陣（Pauli Operators）和鏇轉門。重點論述通用門集的存在性，證明單比特門集閤和兩個未糾纏量子比特上的非局部門（如 CNOT 門）足以構造任意量子算法。 第5章：關鍵量子邏輯門詳解 深入分析幾個在算法和物理實現中至關重要的量子門： Hadamard 門（H）： 産生疊加態的門戶。 相位鏇轉門（$R_z$）和 $pi/8$ 門： 實現精細相位控製。 受控非門（CNOT/C-NOT）： 建立量子糾纏的橋梁。 Toffoli 門（CCNOT）： 作為通用經典門集在量子計算中的對應，討論其在可逆計算中的作用。 第6章：量子計算的復雜度與可擴展性 從理論上界定量子計算的能力。討論BQP（有界概率量子時間）復雜性類，並將其與經典復雜性類如 P、NP 進行比較。討論量子圖靈機模型，並探討量子算法的設計範式，如振幅放大（Amplitude Amplification）和相位估計（Phase Estimation）。 第三部分：核心量子算法（第7章至第9章） 本部分展示量子計算在解決特定難題上的指數級或多項式加速潛力。 第7章：Shor 算法與因式分解 詳細分解 Shor 算法的結構，核心在於周期查找子程序（Quantum Fourier Transform, QFT）。深入解釋 QFT 的原理和實現，以及它如何高效地找到模冪運算的周期，從而在理論上破解大數因式分解這一經典難題。 第8章：Grover 搜索算法 闡述 Grover 算法的幾何直覺，即通過一係列的“翻轉”操作，在無序數據庫中實現 $sqrt{N}$ 級彆的加速。詳細推導最優迭代次數，並討論其適用範圍和局限性。 第9章：量子模擬與變分算法 關注量子計算在模擬物理係統中的應用，特彆是處理哈密頓量演化。介紹量子相位估計算法（QPE）在模擬精確本徵態中的作用。同時，引入當前NISQ（有噪聲中等規模量子）時代的混閤量子-經典算法，如變分量子本徵求解器（VQE）和量子近似優化算法（QAOA），討論其在化學和優化問題中的應用前景。 第四部分：量子通信與安全（第10章至第12章） 本部分探討如何利用量子特性實現安全的通信和信息傳輸。 第10章：量子密鑰分發（QKD） 詳細介紹基於量子力學原理保證安全性的密鑰分配協議。深入分析 BB84 協議的原理、實現步驟和安全性論證，探討 E91 協議（基於糾纏）的優勢。討論在實際信道中存在的攻擊模型（如竊聽者竊聽、攔截重發攻擊）及其防禦策略。 第11章：量子隱形傳態（Quantum Teleportation） 闡述隱形傳態的物理過程，說明其如何利用預先共享的糾纏對（EPR 對）和經典通信將一個未知量子態從一地傳輸到另一地，同時強調其不涉及物質或能量的超光速傳輸。 第12章：量子糾錯碼 討論量子信息的脆弱性，引入錯誤模型的概念（位翻轉、相位翻轉、聯閤錯誤）。介紹經典糾錯碼的基本思想，然後深入講解首批量子糾錯碼，如三比特比特翻轉碼和 Shor 碼。重點介紹錶麵碼（Surface Code）作為實現容錯量子計算最有希望的架構之一。 第五部分：量子硬件與未來展望（第13章至第16章） 本部分將視角轉嚮實現量子計算的物理平颱和未來發展方嚮。 第13章：超導量子比特（Transmons & Flux Qubits） 探討當前最主流的實現路徑之一——基於約瑟夫森結的超導電路。分析其能級結構、如何通過微波脈衝進行操控，並討論退相乾時間和相乾時間等關鍵性能指標。 第14章：離子阱與中性原子 介紹基於囚禁離子（如 Yb+ 或 Ca+）和激光冷卻中性原子（如裏德伯格原子）的量子計算平颱。討論其高相乾時間和高保真度的操作優勢，以及擴展到多比特陣列所麵臨的工程挑戰。 第15章：光量子計算與拓撲量子計算 分析基於光子（偏振、路徑或時間-頻率編碼）的計算平颱，特彆是玻色子采樣（Boson Sampling）作為一種特定任務的量子優勢演示。簡要介紹拓撲量子計算的基本思想，即利用拓撲保護來抵抗局部噪聲的潛力。 第16章：量子計算的前沿挑戰與應用前景 總結當前量子計算麵臨的工程化障礙，包括比特規模的擴展、提高門保真度以及剋服噪聲。展望量子計算在材料科學、藥物發現、金融建模和人工智能等領域的長期應用潛力，並探討量子技術生態係統的發展趨勢。 本書內容詳實，理論推導嚴謹，輔以大量的數學公式和物理圖解，是深入理解量子信息科學復雜圖景的必備參考書。

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這本書的視野和格局遠超齣瞭技術本身，它在探討技術的同時，也在深度剖析安全領域背後的社會、倫理和法律邊界。有一章專門討論瞭數據隱私保護在自動化分析流程中的法律閤規性問題，作者巧妙地引用瞭多地的數據保護條例，並結閤技術手段，探討瞭如何在閤規的前提下最大化分析效能。這種跨學科的融閤，讓這本書的價值得到瞭幾何級的提升。它提醒著我們，技術人員不能隻埋頭於代碼和算法，更需要具備宏觀的視角，理解我們所做的工作將如何影響到更廣闊的世界。讀完之後，我不僅感覺自己在技術層麵得到瞭充實，更是在職業道德和行業責任感上受到瞭深刻的洗禮，它促使我以一種更加負責任的態度去審視未來的每一個項目。

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這本書在理論深度上挖掘得非常徹底，簡直可以說是對相關基礎學科的一次全麵梳理和高強度應用。它沒有滿足於停留在概念層麵，而是深入到瞭底層數學原理的推導，比如在討論特徵工程時，作者詳細闡述瞭主成分分析（PCA）在降維過程中涉及的特徵值分解，甚至迴顧瞭綫性代數中關於協方差矩陣的性質，這對於想真正弄懂模型為什麼有效的人來說，簡直是如獲至寶。更令人印象深刻的是，它對不同模型架構的優劣對比分析得極其客觀和中立，既不盲目推崇當前最熱門的深度學習方法，也清晰地指齣瞭傳統統計模型的局限性。這種嚴謹的學術態度，使得這本書的知識體係非常紮實，完全可以作為研究生階段的參考書目使用，它強迫你去思考“為什麼”，而不是僅僅滿足於“怎麼做”。

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從實操和工程落地的角度來看，這本書的實用價值是毋庸置疑的。它沒有空談理論，而是給齣瞭大量基於實際場景的部署和調優指南。比如，針對高吞吐量網絡環境下的延遲問題，作者詳盡地對比瞭基於FPGA加速和純軟件優化的性能差異，並提供瞭一套詳細的基準測試框架和結果分析模闆。對於那些急需在生産環境中部署監測係統的工程師來說，書中關於資源隔離、並發處理以及日誌審計的標準流程，簡直就是一份現成的SOP（標準作業程序）。我特彆喜歡其中關於“誤報率與漏報率的權衡藝術”這一章節，作者結閤數個跨行業的經驗教訓，提供瞭一套動態調整閾值的實用策略，這比任何純理論書籍都來得實在和可操作。它真的能指導你從一個概念走到一個能跑起來的係統。

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我本是抱著學習新技術的心態翻開這本書的，但很快我就被作者的敘事風格深深吸引住瞭。這不是那種枯燥乏味的教科書式寫作，更像是一位經驗豐富的前輩，在一個安靜的午後，拉著你，娓娓道來他多年來在網絡安全領域的心得與感悟。他總能用極其精妙的比喻來解釋那些晦澀難懂的概念，比如他將數據包的異常行為比喻成“舞池中不閤拍的舞者”，一下子就將核心思想點明瞭。行文中穿插著的那些行業內的真實案例，雖然沒有直接點明是哪傢公司，但那種驚心動魄的描述，讓人仿佛身臨其境，體會到一綫安全工程師麵對突發事件時的緊張與專注。這種敘事手法極大地降低瞭技術壁壘的壓迫感，讓初學者也能鼓起勇氣深入探索，而資深人士則能從中找到共鳴，感受到久違的激情。

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這本書的裝幀設計簡直是視覺上的享受。封麵采用瞭深邃的靛藍色調，搭配著冷峻的銀色綫條勾勒齣的抽象網絡拓撲圖，給人一種既專業又充滿未來感的印象。紙張的選擇也很有檔次，觸感厚實而細膩，油墨的印刷清晰銳利，即便是最小的圖錶和公式，也能看得一清二楚，長時間閱讀下來眼睛也不容易疲勞。更讓我欣賞的是它的排版布局，頁邊距留得恰到好處，段落之間的間距也經過精心調整，使得整體閱讀體驗非常流暢。那些復雜的算法流程圖，被放置在獨立的全彩插頁中，色彩區分度和邏輯層次感都做得極佳，這對於理解那些抽象的理論模型無疑是巨大的幫助。看得齣來，齣版社在製作這本書時，確實是下瞭大力氣的，每一個細節都透露齣對知識載體的尊重，它不僅僅是一本技術手冊，更像是一件值得收藏的工藝品。對於那些注重閱讀體驗的讀者來說，這本書的實體書版本絕對是值得投資的。

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