量子計算與量子信息(10週年版)（簡體書）
商品資訊
商品簡介
《量子計算與量子信息：10周年版》介紹了量子計算和量子信息領域的主要思想和技術。該領域的快速發展及其跨學科的性質使得新來者很難全面地了解其中重要的技術和研究成果。本書共分為3 部分：第1 部分概述了量子計算和量子信息領域的主要思想和研究成果，並介紹了計算機科學、數學和物理學領域的相關背景材料，這些材料是深入理解量子計算和量子信息所必需的；第2 部分詳細描述了量子計算；第3 部分是關於量子信息的，內容涉及什麼是量子信息，如何使用量子態表示和交流信息，以及如何描述和處理量子信息和經典信息的破壞。
作者簡介
Michael A．Nielsen （邁克爾 A. 尼爾森）
曾任澳大利亞聯邦教授、圓周理論物理研究所高級研究員，曾在洛斯阿拉莫斯國家實驗室擔任訪問職務，並曾在加利福尼亞理工學院擔任托爾曼博士後研究員。
Isaac L．Chuang（艾薩克 L. 莊）
現任麻省理工學院數據學習中心副主任，物理系和電氣工程系教授，曾在斯坦福大學獲得電氣工程博士學位，赫茲基金會的研究員，同時還擁有麻省理工學院的物理學和電氣工程學位。
譯者介紹
孫曉明，中國科學院計算技術研究所研究員。主要研究領域為算法與計算複雜性、量子計算等。曾獲首批國家自然科學基金優秀青年基金資助，入選zhongzubu首批萬人計劃青年拔尖人才，中國密碼學會優秀青年獎、密碼創新二等獎。目前擔任中國計算機學會理論計算機科學專委會主任，全國量子計算與測量標準化技術委員會委員，還擔任《軟件學報》《計算機研究與發展》《中國科學:信息科學》《Information and Computation》《JCST》《FCS》等雜志編委或青年編委。
尚云，中國科學院數學與系統科學研究院研究員、CCF量子計算專委會常務委員、CCF杰出會員。主要研究興趣是量子計算基礎理論、量子遊走、量子機器學習、量子點元胞自動機電路的自動設計與優化等，發表論文50多篇。獲CCF科學技術獎自然科學二等獎(1/5，2021)，英國皇家物理學會IOP高引用作者獎(2021),王寬誠優秀女科學家專項獎(2012)等。
李綠周，中山大學計算機學院量子計算與計算機理論研究所教授、中國計算機學會（CCF）量子計算專業組副主任、CCF理論計算機科學專委會常務委員、CCF杰出會員。2009年6月畢業於中山大學計算機科學系，獲博士學位。長期從事量子計算方面的研究，目前研究興趣具體包括量子算法與複雜性、量子機器學習、量子線路優化等，在國內外知名學術期刊發表論文60余篇，出版學術專著1部，“量子計算模型與算法的研究”獲得廣東省杰出青年基金項目資助。
尹璋琦，北京理工大學物理學院量子技術研究中心教授，CCF 量子計算專委委員。1999 年到 2009 年，在西安交通大學先後獲物理學學士、碩士和博士學位。2007 至 2009 年在美國密歇根大學公派聯合培養。2010 到 2019 年先後在中科院武漢物理與數學研究所、中國科學技術大學和清華大學工作。2019 年調入北京理工大學，研究興趣為量子信息與量子精密測量、宏觀系統量子效應等，發表論文 70 余篇。入選教育部青年長江學者（2020），任《中國科學：物理學力學天文學（英文版）》青年編委。
魏朝暉，清華大學丘成桐數學科學中心助理教授、CCF量子計算專委委員。2009年於清華大學計算機系獲得博士學位後前往新加坡量子研究中心任Research Fellow，於2018年返回清華任教。長期從事量子計算方面的理論研究，主要研究興趣包括量子計算複雜性、量子信息論、量子算法、量子糾錯、量子人工智能等，學術成果發表在包括
《IEEE Transactions on Information Theory》《Mathematical Programming》《Physical Review Letters》等在內的知名學術期刊上。2020年獲得北京市優秀本科畢業論文指導教師獎。
田國敬，中科院計算所副研究員、CCF量子計算專業組委員、CCF理論計算機專委委員。主要研究方向是：量子算法設計、量子電路優化、量子非局域性、量子模擬等，目前共發表論文17篇，博士畢業論文被評為中國通信學會優秀博士學位論文（全國共10篇）。作為項目負責人，先後獲得了北京市自然科學基金和國家自然科學基金青年項目的資助，並於2019年入選了博士後創新人才支持計劃（全國計算機專業共16人）。
名人/編輯推薦
本書是量子計算與量子信息領域的經典著作。
本書是量子信息領域及物理領域被引用次數高的圖書之一。
全球許多高校都使用該書作為量子計算課程的教材。
本書可以多種方式使用。它可以用作各種課程的基礎，不管是有關量子計算和量子信息的特定主題的短期講座課程，還是涵蓋整個領域的全年課程。對想要了解一點量子計算和量子信息的讀者，或者想要了解研究前沿的學者，它可以用來自學。它也可以用作該領域當前研究人員的參考書。我們希望新進入這個領域的研究者會發現它作為一份介紹材料是十分有價值的。
給自學者的話
本書被設計為對自學者也是易於理解的。全書擁有大量的習題，可以作為理解正文內容的自 我測驗。目錄和章末的總結可用以快速確定要深入學習的章節。依賴圖有助於確定書中內容的閱讀順序。
給教師的話
本書涵蓋了廣泛的主題，因此可以用作各種課程的基礎。對於一學期的量子計算課程，可以根據班級的背景從第 1 章到第 3 章中選擇部分內容，接著是關於量子電路的第 4 章、關於量子算法的第 5 章和第 6 章，以及從關於物理實現的第 7 章中選擇的內容和理解量子糾錯的第 8 章到第 10 章，其中第 10 章應特別關注。 對於一學期的量子信息課程，可以根據班級的背景從第 1 章到第 3 章中選擇部分內容，接著是關於量子糾錯的第 8 章到第 10 章，以及分別關於量子熵和量子信息論的第 11 章和第 12 章。 對於一整年的課程，可以覆蓋書中的所有內容，且有時間可從若干章節的“背景資料與延伸 閱讀”部分選擇額外的內容閱讀。量子計算和量子信息也非常適合於學生的獨立研究項目。 除了用於量子計算和量子信息的課程，我們還希望有另外一種使用本書的方式，即作為物理系學生量子力學入門課的課本。傳統的量子力學的介紹嚴重依賴於偏微分方程的數學框架，我們認為這常常掩蓋了其中的基本思想。量子計算與量子信息為理解量子力學的基本概念和獨特之處提供了一個出色的概念上的試驗場，而無須基於繁重的數學機制。此類課程的重點是第 2 章中的量子力學入門、第 4 章中關於量子電路的基礎內容、第 5 章和第 6 章中關於量子算法的部分內容、第 7 章中量子計算的物理實現，以及根據個人品味從本書第 3 部分中任意選取的內容。
給學生的話
我們編寫這本書時盡可能使其自洽。主要的例外是，有時我們省略了那些需要讀者自行驗證才能相信的論證，這些通常作為習題給出。建議讀者在閱讀本書時至少應該嘗試所有的習題。除少數例外，這些習題均可以在幾分鐘內完成。如果在大量習題中遇到很多困難，這可能表明需要回顧一個或多個關鍵的概念。
序
本書介紹量子計算和量子信息領域的主要思想和技術。該領域的快速發展及其跨學科的性質使得新來者很難全面地了解其中重要的技術和研究成果。
因此，寫作本書的目的是雙重的。第一個目的是介紹理解量子計算和量子信息所必需的計算機科學、數學和物理學的背景材料，具有這三個學科中至少一科或多個學科背景知識的新研究生 都能夠理解這些內容；最重要的要求是具備一定程度的數學基礎，以及對學習量子計算和量子信 息的興趣。第二個目的是詳細介紹量子計算和量子信息的主要結果。通過全面的學習，讀者應該 對這一令人興奮的領域的基本工具和結果有實際的了解，這既可以作為其通識教育的一部分，也可以作為開展量子計算和量子信息獨立研究的序幕。
本書結構
本書的基本結構如圖 1 所示。本書共分 3 部分。一般的策略是在可能的情況下從具體開始，逐步抽象。因此，我們在研究量子信息之前先研究量子計算；在介紹量子信息理論更一般的結果 之前，先給出特定的量子糾錯碼。全書始終嘗試在討論一般理論之前先介紹實例。
第 1 部分概述量子計算和量子信息領域的主要思想和結果，並介紹計算機科學、數學和物理學的背景材料，這些材料是深入理解量子計算和量子信息所必需的。第 1 章是導論性章節，概述 該領域的歷史發展和基本概念，突出沿途的一些重要開放問題。相關材料的結構使得即使沒有計 算機科學或物理學背景也可以理解。第 2 章和第 3 章拓展用於更詳細理解的背景材料，分別深入論述量子力學和計算機科學的基本概念。讀者可以根據自己的背景，或多或少地閱讀這一部分的不同章節，並在必要時返回查閱，以彌補對量子力學和計算機科學基礎知識的缺失。
第 2 部分詳細描述量子計算。第 4 章介紹執行量子計算所需要的基本要素，並介紹許多可用於開發更複雜的量子計算應用的基本運算。第 5 章和第 6 章分別介紹量子傅裡葉變換和量子搜索 算法，這是目前已知的兩種基本量子算法。第 5 章還解釋如何使用量子傅裡葉變換來解決大整數 素數分解和離散對數問題，以及這些結果對密碼學的重要性。第 7 章以在實驗室中成功演示的幾種實現為例，介紹量子計算機好的物理實現的一般設計原則和標準。
第 3 部分是關於量子信息的：什麼是量子信息，如何使用量子態表示和交流信息，以及如何描述和處理量子信息和經典信息的破壞。第 8 章介紹了解現實世界中的量子信息處理所需的量子 噪聲的屬性，以及量子運算形式主義，這是一種了解量子噪聲的強大數學工具。第 9 章描述量子 信息的距離度量，它使我們能夠在數量上精確地說出兩個量子信息相似的含義。第 10 章介紹量子糾錯碼，可用於保護量子計算不受噪聲影響。本章的一個重要結果是閾值定理，它表明對於現實的噪聲模型，噪聲在原則上不會嚴重阻礙量子計算。第 11 章介紹熵的基本信息論概念，解釋經典信息論和量子信息論中熵的許多性質。最後，第 12 章討論量子態和量子通信通道的信息攜帶特性，詳細介紹這種系統對於經典信息和量子信息的傳輸，以及秘密信息的傳輸可能具有的許多奇怪和有趣的特性。
大量的習題和問題貫穿整本書。習題旨在鞏固對基本材料的理解，並出現在正文中。除少數例外，只需要幾分鐘即可輕鬆解決這些習題。問題出現在每章的末尾，目的是介紹那些在正文中沒有足夠的空間來介紹的新的有趣的材料。這些問題通常是多方面的，目的是在某種程度上深入拓展特定的思路。在本書付印之時，一些問題仍未解決。在這種情況下，將在問題說明中予以注 明。每章都以本章主要結果的摘要作為結尾，並以“背景資料與延伸閱讀”部分作為結束語，該部分描述本章主要思想的發展，給出整章的引用和參考文獻，並提供建議供進一步閱讀。
本書的文前包含詳細的目錄，建議瀏覽。還有一個術語和符號指南，可以幫助你閱讀本書。 本書的文後包含 6 個附錄和一個參考文獻列表。
目次
第1章簡介與概述
1.1全貌
1.1.1量子計算和量子信息的歷史
1.1.2未來發展方向
1.2量子比特
1.3量子計算
1.3.1單量子比特門
1.3.2多量子比特門
1.3.3除計算基外的測量
1.3.4量子電路
1.3.5量子比特復制電路？
1.3.6示例：貝爾態
1.3.7示例：量子隱形傳態
1.4量子算法
1.4.1量子計算機的經典計算
1.4.2量子並行性
1.4.3Deutsch算法
1.4.4Deutsch–Jozsa算法
1.4.5量子算法總結
1.5實驗量子信息處理
1.5.1Stern-Gerlach實驗
1.5.2實用量子信息處理的前景
1.6量子信息
1.6.1量子信息理論：一些問題
1.6.2更廣泛背景下的量子信息
第1部分基礎概念
第2章量子力學基礎
2.1線性代數
2.1.1基和線性無關性
2.1.2線性算子和矩陣
2.1.3泡利矩陣
2.1.4內積
2.1.5特徵向量和特徵值
2.1.6伴隨和厄米算子
2.1.7張量積
2.1.8算子函數
2.1.9對易式和反對易式
2.1.10極式分解和奇異值分解
2.2量子力學的假設
2.2.1狀態空間
2.2.2演化
2.2.3量子測量
2.2.4區分量子狀態
2.2.5投影測量
2.2.6POVM測量
2.2.7相位
2.2.8復合系統
2.2.9量子力學：總覽
2.3應用：超密編碼
2.4密度算子
2.4.1量子狀態的系綜
2.4.2密度算子的一般性質
2.4.3約化密度算子
2.5施密特分解與純化
2.6EPR和貝爾不等式
第3章計算機科學簡介
3.1計算模型
3.1.1圖靈機
3.1.2電路
3.2計算問題的分析
3.2.1如何量化計算資源
3.2.2計算複雜性
3.2.3判定性問題與複雜性類P與NP
3.2.4更多的複雜性類
3.2.5能量與計算
3.3關於計算科學的觀點
第4章量子電路
4.1量子算法
4.2單量子比特運算
4.3受控運算
4.4測量
4.5通用量子門
4.5.1兩級酉門是通用的
4.5.2單量子比特和受控非門是通用的
4.5.3通用運算的一個離散集合
4.5.4逼近任意酉門一般是難的
4.5.5量子計算複雜度
4.6量子電路模型計算總結
4.7量子系統的模擬
4.7.1行為模擬
4.7.2量子模擬算法
4.7.3說明性示例
4.7.4量子模擬展望
第2部分量子計算
第5章量子傅裡葉變換及其應用
5.1量子傅裡葉變換
5.2相位估計
5.3應用：求階與因子分解問題
5.3.1應用：求階
5.3.2應用：因子分解
5.4量子傅裡葉變換的一般應用
5.4.1周期查找
5.4.2離散對數問題
5.4.3隱含子群問題
5.4.4其他的量子算法？
第6章量子搜索算法
6.1量子搜索算法
6.1.1Oracle
6.1.2過程
6.1.3幾何可視化
6.1.4性能
6.2作為量子模擬的量子搜索
6.3量子計數
6.4NP完全問題解的加速
6.5無結構數據庫的量子搜索
6.6搜索算法的最優性
6.7黑盒算法的極限
第7章量子計算機：物理實現
7.1指導性原則
7.2量子計算的條件
7.2.1量子信息的表示
7.2.2執行酉變換
....
12.5.2糾纏蒸餾與稀釋
12.5.3糾纏蒸餾與量子糾錯
12.6量子密碼學
12.6.1私鑰密碼學
12.6.2隱私放大和信息協調
12.6.3量子密鑰分發
12.6.4隱私和相干信息
12.6.5量子密鑰分發的安全性
附錄A概率論基礎
附錄B群論
附錄CSolovay-Kitaev定理
附錄D數論
附錄E公鑰密碼和RSA密碼系統
附錄FLieb定理的證明
參考文獻
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