| 作者 |
| 鲍勃·科克,亚历克斯·基辛格 应明生 |
| 丛书名 |
| 计算机科学丛书 |
| 出版社 |
| 机械工业出版社 |
| ISBN |
| 9782109071528 |
| 简要 |
| 简介 |
| 内容简介书籍计算机书籍 ---------------------------8083852 - 量子理论：可视化量子过程及其应用--------------------------- 本书通过创新的视觉方法解析量子力学的复杂理论，以图解的方式为读者诠释量子世界的独特特征，消除了复杂计算的必要。这种量子图解形式将线性代数和希尔伯特空间的经典技术与量子计算理论的前沿研究相结合，代表了近十年研究的尖端成果。 本书以轻松友好的阅读风格编写，通过大量的图表和卡通插图，帮助读者掌握图解推理的技巧来理解量子理论和特征，配套一百多个习题和实例，让学生更容易学习和掌握相关知识和技能。作为量子力学领域独特的图解形式教科书，适合作为从本科生到博士研究生学习量子理论和量子计算的基础教材。 ---------------------------8062554 - 量子编程基础--------------------------- 本书讨论了如何扩展当前计算机的新程序设计方法和技术，以利用量子计算机的独特能力。相比于现有计算机系统，量子计算机在处理速度上具有显著优势。世界各地的政府和企业都投入了大量资金，希望建造实用的量子计算机。本书结合作者在量子计算领域多年的研究经验，并辅以大量的例子和插图，介绍了量子编程语言及其所需的重要工具和技术，对于学者、研究人员和开发人员来说都是非常宝贵的参考资料。 |
| 目录 |
| [套装书具体书目] 8062554 - 量子编程基础 - 9787111631293 - 机械工业出版社 - 定价 139 8083852 - 量子理论：可视化量子过程及其应用 - 9787111689850 - 机械工业出版社 - 定价 239 ---------------------------8083852 - 量子理论：可视化量子过程及其应用--------------------------- 译者序 前 言 第1章 引言1 1.1 企鹅和北极熊1 1.2 新鲜事4 1.2.1 量子理论新角度：特征4 1.2.2 数学新形式：图形6 1.2.3 物理学新基础：过程理论8 1.2.4 新规范：量子图形化9 1.3 历史回顾与参考文献10 第2章 阅读指南14 2.1 你是谁，你想要什么14 2.2 菜单14 2.2.1 图形在本书中的演变15 2.2.2 好莱坞大片风格的预告片16 2.2.3 中间的某些符号污染17 2.2.4 本章小结、历史回顾与参考文献、题词18 2.2.5 加星号的标题和进阶阅读材料章节18 2.3 常见问题19 第3章 图形化过程21 3.1 从过程到图形21 3.1.1 过程用框表示，系统用线表示21 3.1.2 过程理论24 3.1.3 图形也是数学26 3.1.4 过程等式28 3.1.5 图形代换31 3.2 线路图32 3.2.1 并行组合33 3.2.2 串行组合34 3.2.3 线路的两个等价定义35 3.2.4 图形打败代数37 3.3 作为过程的函数和关系39 3.3.1 集合39 3.3.2 函数40 3.3.3 关系42 3.3.4 函数与关系44 3.4 特殊过程44 3.4.1 状态、效应和数字45 3.4.2 说说不可能：零图50 3.4.3 “只差一个倍数”就能相等的过程51 3.4.4 Dirac符号52 3.5 本章小结54 *3.6 进阶阅读材料56 3.6.1 抽象张量系统56 3.6.2 对称幺半范畴57 3.6.3 一般图形与线路图59 3.7 历史回顾与参考文献60 第4章 字符串图62 4.1 杯、盖和字符串图63 4.1.1 可分离性63 4.1.2 过程-态对偶性65 4.1.3 拉伸方程67 4.1.4 字符串图69 4.2 转置和迹70 4.2.1 转置71 4.2.2 复合系统的转置74 4.2.3 迹和分迹75 4.3 翻转图76 4.3.1 伴随77 4.3.2 共轭80 4.3.3 内积84 4.3.4 幺正性87 4.3.5 正性88 4.3.6 -正性89 4.3.7 投影算子90 4.4 字符串图中的量子特征92 4.4.1 通用可分离性的不可行定理93 4.4.2 克隆的两个不可行定理96 4.4.3 仿佛时光在倒流99 4.4.4 隐形传态101 4.5 本章小结105 *4.6 进阶阅读材料107 4.6.1 抽象张量系统中的字符串图108 4.6.2 对偶类型和自对偶性108 4.6.3 匕首紧致闭合范畴111 4.7 历史回顾与参考文献112 第5章 图形表征下的希尔伯特空间114 5.1 基与矩阵115 5.1.1 基的类型115 5.1.2 过程的矩阵120 5.1.3 过程的求和123 5.1.4 矩阵表征下的过程127 5.1.5 同构和幺正变换的矩阵130 5.1.6 自伴随和正过程的矩阵133 5.1.7 矩阵的迹136 5.2 矩阵运算137 5.2.1 矩阵的串行组合137 5.2.2 矩阵的并行组合138 5.2.3 杯和盖的矩阵形式143 5.2.4 矩阵的字符串图144 5.2.5 作为过程理论的矩阵145 5.3 希尔伯特空间147 5.3.1 图形表征下的线性映射和希尔伯特空间147 5.3.2 共轭的正性148 5.3.3 为什么数学家喜欢复数150 5.3.4 经典逻辑门为线性映射154 5.3.5 X-基和阿达马门线性映射156 5.3.6 贝尔基和贝尔映射159 5.4 希尔伯特空间与图形162 5.4.1 线性映射的字符串图是完备的163 5.4.2 希尔伯特空间的集合理论定义164 5.5 本章小结170 *5.6 进阶阅读材料173 5.6.1 超越有限维数174 5.6.2 具有求和与基的范畴175 5.6.3 扭结理论中的求和176 5.6.4 对称幺半范畴的等价177 5.7 历史回顾与参考文献181 第6章 量子过程183 6.1 翻倍表征下的纯量子映射184 6.1.1 翻倍产生概率184 6.1.2 翻倍消除全局相位187 6.1.3 纯量子映射的过程理论189 6.1.4 通过翻倍保留的事物193 6.1.5 不能通过翻倍保留的事物196 6.2 丢弃表征下的量子映射199 6.2.1 丢弃199 6.2.2 杂化202 6.2.3 量子态的权重和因果性204 6.2.4 量子映射的过程理论208 6.2.5 量子映射的因果性212 6.2.6 因果性表征的下同构和幺正性213 6.2.7 Kraus分解与混合216 6.2.8 无广播定理220 6.3 过程理论的相对论223 6.3.1 因果结构224 6.3.2 因果性意味着无信号传递227 6.3.3 因果性和协方差228 6.4 量子过程229 6.4.1 非确定性量子过程230 6.4.2 所有量子映射的非确定性实现233 6.4.3 量子过程的纯化234 6.4.4 隐形传态需要经典通信237 6.4.5 受控过程238 6.4.6 详细的量子隐形传态239 6.5 本章小结241 *6.6 进阶阅读材料244 6.6.1 翻倍一般过程理论 244 6.6.2 翻倍公理245 6.6.3 现在看看完全不同的事物246 6.7 历史回顾与参考文献247 第7章 量子测量249 7.1 标准正交基测量250 7.1.1 测量设备的入门介绍250 7.1.2 破坏性标准正交基测量252 7.1.3 非破坏性标准正交基测量256 7.1.4 叠加与干涉257 7.1.5 观测之外的最优选择260 7.2 测量动力学与量子协议261 7.2.1 测量动力学I：反作用261 7.2.2 示例：逻辑门的隐形传态264 7.2.3 测量动力学II：塌缩265 7.2.4 示例：量子纠缠交换266 7.3 更普适的测量种类267 7.3.1 冯·诺依曼测量267 7.3.2 冯·诺依曼量子理论框架272 7.3.3 POVM测量274 7.3.4 Naimark延展与Ozawa延展276 7.4 层析278 7.4.1 量子态层析278 7.4.2 信息完备性测量280 7.4.3 局域层析=过程层析282 7.5 本章小结283 *7.6 进阶阅读材料285 7.6.1 量子测量真实存在吗286 7.6.2 投影算子与量子逻辑288 7.6.3 局域层析失效289 7.7 历史回顾与参考文献290 第8章 经典-量子过程的图形化293 8.1 作为线的经典系统296 8.1.1 双线与单线296 8.1.2 示例：密集编码298 8.1.3 测量与编码299 8.1.4 经典-量子映射301 8.1.5 删除与因果性304 8.2 蜘蛛表征下的经典映射305 8.2.1 经典映射306 8.2.2 复制与删除308 8.2.3 蜘蛛315 8.2.4 如果行为像蜘蛛，那么它就是蜘蛛321 8.2.5 线性映射皆可化为蜘蛛+同构变换322 8.2.6 蜘蛛图与完备性326 8.3 蜘蛛表征下的量子映射328 8.3.1 蜘蛛表征下的测量与编码328 8.3.2 退相干332 8.3.3 经典、量子与杂交蜘蛛335 8.3.4 混合蜘蛛339 8.3.5 非纯态纠缠342 8.4 蜘蛛表征下的测量与协议344 8.4.1 标准正交基测量345 8.4.2 受控幺正变换347 8.4.3 隐形传态349 8.4.4 密集编码351 8.4.5 纠缠交换352 8.4.6 冯·诺依曼测量353 8.4.7 POVM测量与Naimark延展355 8.5 本章小结356 *8.6 进阶阅读材料360 8.6.1 蜘蛛是Frobenius代数360 8.6.2 非交换蜘蛛363 8.6.3 多毛蜘蛛365 8.6.4 用蜘蛛造词366 8.7 历史回顾与参考文献367 第9章 相位与互补性的图形化369 9.1 装饰蜘蛛370 9.1.1 无偏性和相位态371 9.1.2 相位蜘蛛375 9.1.3 相位蜘蛛融合377 9.1.4 相位群379 9.1.5 相位门381 9.2 彩色蜘蛛385 9.2.1 互补蜘蛛385 9.2.2 互补性与无偏性389 9.2.3 从互补性得到CNOT门394 9.2.4 经典数据的“颜色”396 9.2.5 互补测量398 9.2.6 量子密钥分发401 9.2.7 用互补测量实现隐形传态403 9.3 强互补性408 9.3.1 缺失的规则409 9.3.2 一对一强互补411 9.3.3 强互补的方方面面411 9.3.4 经典子群416 9.3.5 蜘蛛的宇称映射422 9.3.6 强互补性分类425 9.4 ZX-演算427 9.4.1 普适的ZX-图428 9.4.2 Clifford图的ZX-演算431 9.4.3 入门级ZX：只有图形，没有其他435 9.4.4 专家级ZX：建立自己的演算440 9.4.5 神级ZX：完备性444 9.4.6 完全ZX-演算450 9.5 本章小结452 *9.6 进阶阅读材料456 9.6.1 强互补蜘蛛是Hopf代数456 9.6.2 强互补与归一化形式458 9.7 历史回顾与参考文献461 第10章 量子理论：全幅图景463 10.1 图形463 10.1.1 线路图464 10.1.2 字符串图465 10.1.3 翻倍图467 10.1.4 蜘蛛图468 10.1.5 ZX-图470 10.2 过程472 10.2.1 因果性472 10.2.2 分解和免广播过程473 10.2.3 示例474 10.3 定律479 10.3.1 互补性479 10.3.2 强互补性482 10.3.3 ZX-演算483 10.4 历史回顾与参考文献486 第11章 量子基础488 11.1 量子非局域性488 11.1.1 量子理论的完善488 11.1.2 GHZ-梅明情景490 11.1.3 描绘一个矛盾492 11.2 类量子过程理论493 11.2.1 互补性关系493 11.2.2 Spekkens的玩具量子理论494 11.2.3 spek中的相位498 11.2.4 spek中的ZX-演算501 11.2.5 spek中的非局域性503 11.3 本章小结505 11.4 历史回顾与参考文献505 第12章 量子计算507 12.1 线路模型508 12.1.1 量子计算作为ZX-图508 12.1.2 构造量子门作为ZX-图511 12.1.3 线路普适性516 12.2 量子算法522 12.2.1 量子谕言（假的？）魔法523 12.2.2 Deutsch-Jozsa算法526 12.2.3 量子搜索529 12.2.4 隐子群问题533 12.3 基于测量的量子计算539 12.3.1 图态和簇态540 12.3.2 测量图态541 12.3.3 前馈543 12.3.4 有经典线的前馈545 12.3.5 通用性548 12.4 本章小结551 12.5 历史回顾与参考文献553 第13章 量子资源554 13.1 资源理论555 13.1.1 自由过程555 13.1.2 比较资源557 13.1.3 测量资源559 13.2 纯度理论561 13.2.1 纯度比较561 13.2.2 （非）纯度测量568 13.3 纠缠理论569 13.3.1 LOCC纠缠569 13.3.2 SLOCC 纠缠579 13.3.3 爆炸式增长的蜘蛛583 13.3.4 回溯本源：算法587 13.4 本章小结590 13.5 历史回顾与参考文献593 第14章 Quantomatic594 14.1 Quantomatic速览595 14.2 !-框：替换“点，点，点”600 14.3 合成物理理论602 14.4 历史回顾与参考文献605 附录 符号说明606 参考文献607 索引621 ---------------------------8062554 - 量子编程基础--------------------------- 出版者的话 序言一 序言二 前言 致谢 第一部分 引言和预备知识 第 1 章 引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1 量子编程研究简史 . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1 量子编程语言的设计. . . . . . . . . .2 1.1.2 量子编程语言的语义. . . . . . . . . .3 1.1.3 量子程序的验证和分析 . . . . . . . 3 1.2 量子编程的方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.1 数据叠加——带经典控制的量子程序 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.2 程序叠加——带量子控制的量子程序 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 全书结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 第 2 章 预备知识 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1 量子力学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 2.1.1 希尔伯特空间 . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 线性算子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.3 幺正变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.4 量子测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.5 希尔伯特空间的张量积 . . . . . . 18 2.1.6 密度算子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.7 量子操作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2 量子线路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.1 基本定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.2 单量子比特门 . . . . . . . . . . . . . . .26 2.2.3 受控门 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.4 量子多路复用器. . . . . . . . . . . . .29 2.2.5 量子门的通用性. . . . . . . . . . . . .31 2.2.6 量子线路的测量. . . . . . . . . . . . .31 2.3 量子算法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3.1 量子并行性与量子干涉 . . . . . . 33 2.3.2 Deutsch-Jozsa 算法 . . . . . . . . . 35 2.3.3 Grover 搜索算法 . . . . . . . . . . . . 36 2.3.4 量子游走 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.5 量子游走搜索算法. . . . . . . . . . .42 2.3.6 量子傅里叶变换. . . . . . . . . . . . .44 2.3.7 相位估计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 第二部分 带经典控制的量子程序 第 3 章 量子程序的语法和语义. . . . . . . . .50 3.1 语法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2 操作语义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3 指称语义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.3.1 语义函数的基本属性 . . . . . . . . 61 3.3.2 量子域 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3.3 循环的语义函数. . . . . . . . . . . . .64 3.3.4 量子变量的改变与访问 . . . . . . 65 3.3.5 终止和发散的概率. . . . . . . . . . .66 3.3.6 作为量子操作的语义函数 . . . . 68 3.4 量子编程中的经典递归 . . . . . . . . . 69 3.4.1 语法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.2 操作语义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.3 指称语义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.4 不动点特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5 例子：Grover 量子搜索 . . . . . . . . . 77 3.6 引理的证明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.7 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 第 4 章 量子程序的逻辑 . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.1 量子谓词 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.1.1 量子最弱前置条件. . . . . . . . . . .87 4.2 量子程序的 Floyd-Hoare 逻辑. . .91 4.2.1 正确性公式 . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.2.2 量子程序的最弱前置条件 . . . . 94 4.2.3 部分正确性的证明系统 . . . . . 101 4.2.4 整体正确性的证明系统 . . . . . 107 4.2.5 例子：推理 Grover 算法 . . . . 114 4.3 量子最弱前置条件的可交换性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.4 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 第 5 章 量子程序的分析. . . . . . . . . . . . . . .124 5.1 量子 while 循环的终止性分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.1.1 使用幺正操作作为循环体的量子 while 循环 . . . . . . . . . . . 124 5.1.2 一般性量子 while 循环. . . . .132 5.1.3 例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.2 量子图理论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.2.1 基本定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.2 末端强连通分量 . . . . . . . . . . . 149 5.2.3 状态希尔伯特空间的分解 . . . 153 5.3 量子马尔可夫链的可达性分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.3.1 可达性概率. . . . . . . . . . . . . . . .158 5.3.2 重复可达性概率 . . . . . . . . . . . 160 5.3.3 持续性概率. . . . . . . . . . . . . . . .163 5.4 引理的证明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.5 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 第三部分 带量子控制的量子程序 第 6 章 量子 case 语句 . . . . . . . . . . . . . . . 176 6.1 case 语句：从经典到量子 . . . . . . 176 6.2 QuGCL：支持量子 case 语句的编程语言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 6.3 量子操作的卫式组合 . . . . . . . . . . 182 6.3.1 幺正算子的卫式组合 . . . . . . . 182 6.3.2 算子值函数. . . . . . . . . . . . . . . .183 6.3.3 算子值函数的卫式组合 . . . . . 185 6.3.4 量子操作的卫式组合 . . . . . . . 187 6.4 QuGCL 程序的语义 . . . . . . . . . . . 189 6.4.1 经典态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 6.4.2 半经典语义. . . . . . . . . . . . . . . .190 6.4.3 纯量子语义. . . . . . . . . . . . . . . .192 6.4.4 最弱前置条件语义 . . . . . . . . . 194 6.4.5 例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.5 量子选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 6.5.1 选择：通过概率性从经典转换到量子. . . . . . . . . . . . . . . .197 6.5.2 概率性选择的量子实现 . . . . . 199 6.6 代数法则 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 6.7 例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 6.7.1 量子游走 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 6.7.2 量子相位估算. . . . . . . . . . . . . .206 6.8 讨论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 6.8.1 量子操作卫式组合的系数 . . . 208 6.8.2 通过子空间控制的量子case 语句 . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 6.9 引理、命题和定理的证明 . . . . . . 213 6.10 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 第 7 章 量子递归 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 7.1 量子递归程序的语法 . . . . . . . . . . 227 7.2 启发性示例：递归量子游走. . . . 230 7.2.1 递归量子游走的规范 . . . . . . . 230 7.2.2 如何求解递归量子方程 . . . . . 234 7.3 二次量子化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 7.3.1 多粒子态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 7.3.2 Fock 空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 7.3.3 Fock 空间的可观测量 . . . . . . 241 7.3.4 Fock 空间的演变. . . . . . . . . . .243 7.3.5 粒子的产生与湮灭 . . . . . . . . . 244 7.4 在自由 Fock 空间中求解递归方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 7.4.1 自由 Fock 空间中算子的域 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 7.4.2 程序模式的语义泛函 . . . . . . . 248 7.4.3 不动点语义. . . . . . . . . . . . . . . .251 7.4.4 语法逼近 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 7.5 恢复对称性与反对称性 . . . . . . . . 257 7.5.1 对称函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 7.5.2 量子递归程序语义的对称性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 7.6 量子递归的主系统语义 . . . . . . . . 260 7.7 例子：回顾递归量子游走 . . . . . . 261 7.8 （带量子控制的）量子 while循环 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 7.9 文献注解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 第四部分 发展前景 第 8 章 发展前景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 8.1 量子程序与量子机 . . . . . . . . . . . . . 272 8.2 量子编程语言的实现 . . . . . . . . . . 273 8.3 函数式量子编程 . . . . . . . . . . . . . . . 274 8.4 量子程序的范畴语义 . . . . . . . . . . 275 8.5 从并行量子程序到量子并行 . . . 275 8.6 量子编程中的纠缠 . . . . . . . . . . . . . 276 8.7 模型检测量子系统 . . . . . . . . . . . . . 277 8.8 应用于物理学的量子编程. . . . . .278 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 索引 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 |