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内容简介

　　量子信息学是近30多年发展起来的新型交叉学科，是量子力学与信息论、计算机科学、密码学、度量学等相结合的新兴研究领域。量子信息学主要涉及量子信息论、量子通信、量子计算、量子密码、量子模拟和量子度量等方面。
　　《量子信息学导论》主要介绍量子信息学的基础理论、基本原理及其应用的主要成果。全书分为8章内容，第1章介绍量子信息学各主要领域的发展历史和现状以及量子信息学的性质、研究对象、内容、方法和意义，第2章介绍量子信息学的数学和物理基础，第3章介绍量子信息论的基本理论，第4章介绍量子密码术的方法和技术发展，第5章介绍量子通信及其量子通信网络的相关内容，第6章介绍量子算法和量子计算机的物理实现，第7章介绍现有的各种量子模拟方法，第8章介绍量子度量学及量子信息学在一些新领域的应用。
　　《量子信息学导论》可以作为电子、信息、通信类各相关专业量子信息学课程的参考教材，也可供对量子信息学感兴趣的各类人员参考。

内页插图

目录

第1章 绪论
1．1 量子计算
1．1．1 量子计算的兴起
1．1．2 量子计算的模式
1．1．3 量子计算机的物理实现
1．1．4 量子软件研究
1．2 量子密码学
1．2．1 量子密码术的重要性
1．2．2 量子密码术的发展简况
1．2．3 量子密码的攻防安全
1．3 量子通信
1．3．1 量子隐形传态
1．3．2 量子纠缠态
1．3．3 量子存储器
1．3．4 自由空间量子通信
1．3．5 量子网络
1．3．6 连续变量量子信息学
1．4 量子模拟
1．5 量子度量学
1．5．1 原子钟
1．5．2 量子高精密相位测量
1．5． 3量子成像
1．6 量子信息物理基础

第2章 量子信息学的数学与物理基础
2．1 量子信息学中的数学
2．1．1 向量
2．1．2 内积
2．1．3 线性算符与矩阵
2．1．4 外积
2．1．5 特征向量与特征值
2．1．6 伴随矩阵与Hermite算符
2．1．7 张量积
2．1．8 算符函数
2．1．9 对易式与反对易式
2．1．1 0极式分解和奇异值分解
2．2 量子信息学的物理基础
2．2．1 量子力学的基本概念
2．2．2 量子力学的基本假设
2．3 密度算符
2．3．1 密度算符（密度算子）
2．3．2 基于密度算符的量子力学基本假设
2．3．3 Schmidt分解定理
2．4 量子纠缠
2．4．1 量子比特
2．4．2 纠缠态
2．4．3 纠缠的度量
2．4．4 纠缠的判定

第3章 量子信息论基础
3．1 熵与量子信息的测度
3．1．1 经典香农熵
3．1．2 量子冯·诺依曼熵
3．1．3 冯·诺依曼熵的强次可加性
3．2 最大信息的获取
3．2．1 Holevo限
3．2．2 Holevo限的应用
3．3 量子无噪声编码定理
3．3．1 香农无噪声信道编码定理
3．3．2 量子舒马赫无噪声信道编码定理
3．4 带噪声量子信道上的信息
3．4．1 带噪声经典信道上的信息
3．4．2 带噪声量子信道上的经典信息
3．4．3 带噪声量子信道上的量子信息

第4章 量子密码术
4．1 密码学与经典加密
4．1．1 密码学的历史
4．1．2 密码学中的基本概念
4．1．3 经典密码存在的问题
4．2 量子密码的概念和理论
4．2．1 量子密码原理
4．2．2 量子密钥分配
4．3 量子密钥分配协议
4．3．1 BB84协议
……
第5章 量子通信
第6章 量子计算基础
第7章 量子模拟
第8章 量子度量学
参考文献

前言/序言

　　量子信息科学是量子力学与信息科学相结合而发展起来的一门新兴的前沿交叉学科。量子信息科学以微观粒子作为信息载体，进行操纵、存储和传输量子状态，利用量子现象实现经典信息科学所无法完成的功能。经过30多年的迅猛发展，量子信息科学无论在理论上还是在实验上都取得了重要突破，有些方面开始走向实际应用。如今，量子信息科学已经形成了量子计算、量子通信、量子密码、量子模拟、量子度量与量子信息论等主要研究领域，其研究内容十分丰富。
　　由于量子信息科学涉及量子力学、计算机科学、传统的通信科学、密码学和度量学，所用到的数学知识有概率论、数论、群论等，成为典型的多学科交叉科学。一些基本的物理问题到现在还不能给出明确的解释，譬如量子纠缠问题，虽然目前给人以困惑，但量子纠缠已经成为量子信息科学非常有用的资源，在量子通信、量子计算、量子度量等研究领域扮演着重要的角色。利用量子纠缠现象，人们已经实现了100多公里距离的量子态的隐形传送，实现了量子成像，更有中国的研究者创造出了量子照相机！量子信息城域网已经在世界多地建成并初步应用。虽然量子雷达实现的难度很大，但由于它在探测隐身目标方面的特殊功能，因此已成为世界各个技术与经济强国竞相开发的一个重要的技术研究领域。
　　量子信息科学从诞生到如今的30多年里迅猛发展，显示出十分广阔的科学和技术应用前景。随着量子信息科学的进一步发展，有望解决量子理论中的一些悬而未决的问题，促进量子理论的完善。量子信息科学在技术方面正在成为推动IT产业更新换代的动力。
　　作者从2007年起由于为本科高年级与研究生开设量子信息学讲座，开始了又一次艰难的学习历程，迫使作者认真学习了量子信息科学所涉及的大量的有关专业知识和文献资料，近几年又担任量子信息学课程的主讲教师，不断吸收整理国际量子信息科学研究进展成果，从中选取课程讲授材料，不断修改和更新讲稿，组织教学。本书就是在这些讲稿的基础上，经过几番补充修改形成的。书中有的内容直接引用了多位先驱者已经出版的著作中的内容，已在参考文献中列出，在此，谨向这些先驱者表示感谢并致敬。
　　本书内容共分8章。第1章为绪论，介绍了量子信息科学各主要研究领域的发展历程，给出了过去30多年量子信息科学取得的主要研究成果。第2章为量子信息学的数学与物理基础，主要介绍了极式分解、奇异值分解、密度算符、量子纠缠等概念和理论。第3章为量子信息论基础，介绍了熵与量子信息的测度、香农编码定理和量子编码定理等，这些内容对于尚未涉足信息学的非通信专业的读者学习量子信息学是必要的。第4章为量子密码术，介绍量子密码的概念、量子密钥分配协议等内容。第5章为量子通信，介绍量子纠缠这一量子信息科学中极其重要的概念，以及量子纠缠态的性质、产生方法和测量原理及其在量子通信领域中的应用。第6章为量子计算基础，介绍量子比特概念、普适量子逻辑门工作原理、现有的几种量子算法，以及量子计算机物理实现的几种方案。第7章为量子模拟，介绍量子模拟器研究现状、量子模拟系统表示法、量子模拟的几个实例等。第8章为量子度量学，介绍光场压缩态、量子纠缠态这些量子领域特有的现象以及在量子测量中的应用，特别介绍了它们在量子成像、量子定位与量子雷达中的应用。
　　量子信息科学发展迅速，远没有定型，需要解决的问题很多，作者虽然尽心尽力想要在本书中给出量子信息科学的全貌，但由于作者的学识、水平有限，要达到理想坑界确实是十分困难的。书中不妥、疏漏之处可能在所难免，敬请专家、同行指教。
　　作者要特别指出，安毓英教授和杨志勇教授曾为“量子信息学”课程的设置以及教学大纲的制定和修订提出过许多良好的建议，多年来，他们的大力支持和鼓励，是作者坚持下来的动力；曾小东教授、刘继芳教授、王石语教授、邵晓鹏教授、王晓蕊教授、王学恩副教授、李军副教授、中国科学院西安光学精密机械研究所的张同意研究员、中国电科集团53所的吴养曹总工亦曾与作者就量子信息科学中的某些研究方面进行过多次有益的探讨和交流，使作者从这些活动中获益匪浅；西安电子科技大学物理与光电工程学院郭立新院长、李平舟副院长、杨光玮书记等领导以及金阳群、赵小燕、冯喆君、朱轩民、李兵斌、蒙文等老师给予作者很大的精神支持，研究生院领导也给以关心和支持，一些研究生帮忙校正了部分书稿，特别是孙怡莲女士帮忙输入了大部分书稿并在生活上给予作者很大关心；西安电子科技大学出版社的领导及李惠萍、雷鸿俊等编辑为本书的出版付出了艰辛的劳动。在此，作者特向相关单位及人员表示诚挚的感谢。
　　作者
　　2015年6月

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