量子信息学导论PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 量子计算 1

1.1.1 量子计算的兴起 1

1.1.2 量子计算的模式 3

1.1.3 量子计算机的物理实现 5

1.1.4 量子软件研究 14

1.2 量子密码学 15

1.2.1 量子密码术的重要性 15

1.2.2 量子密码术的发展简况 16

1.2.3 量子密码的攻防安全 17

1.3 量子通信 18

1.3.1 量子隐形传态 19

1.3.2 量子纠缠态 19

1.3.3 量子存储器 21

1.3.4 自由空间量子通信 22

1.3.5 量子网络 23

1.3.6 连续变量量子信息学 24

1.4 量子模拟 25

1.5 量子度量学 27

1.5.1 原子钟 28

1.5.2 量子高精密相位测量 28

1.5.3 量子成像 29

1.6 量子信息物理基础 30

第2章 量子信息学的数学与物理基础 34

2.1 量子信息学中的数学 34

2.1.1 向量 34

2.1.2 内积 36

2.1.3 线性算符与矩阵 37

2.1.4 外积 38

2.1.5 特征向量与特征值 39

2.1.6 伴随矩阵与Hermite算符 39

2.1.7 张量积 41

2.1.8 算符函数 43

2.1.9 对易式与反对易式 44

2.1.10 极式分解和奇异值分解 44

2.2 量子信息学的物理基础 46

2.2.1 量子力学的基本概念 46

2.2.2 量子力学的基本假设 57

2.3 密度算符 63

2.3.1 密度算符（密度算子） 63

2.3.2 基于密度算符的量子力学基本假设 67

2.3.3 Schmidt分解定理 68

2.4 量子纠缠 69

2.4.1 量子比特 69

2.4.2 纠缠态 72

2.4.3 纠缠的度量 74

2.4.4 纠缠的判定 76

第3章 量子信息论基础 78

3.1 熵与量子信息的测度 78

3.1.1 经典香农熵 78

3.1.2 量子冯·诺依曼熵 81

3.1.3 冯·诺依曼熵的强次可加性 84

3.2 最大信息的获取 85

3.2.1 Holevo限 85

3.2.2 Holevo限的应用 87

3.3 量子无噪声编码定理 87

3.3.1 香农无噪声信道编码定理 88

3.3.2 量子舒马赫无噪声信道编码定理 90

3.4 带噪声量子信道上的信息 91

3.4.1 带噪声经典信道上的信息 91

3.4.2 带噪声量子信道上的经典信息 93

3.4.3 带噪声量子信道上的量子信息 94

第4章 量子密码术 98

4.1 密码学与经典加密 98

4.1.1 密码学的历史 98

4.1.2 密码学中的基本概念 99

4.1.3 经典密码存在的问题 100

4.2 量子密码的概念和理论 101

4.2.1 量子密码原理 101

4.2.2 量子密钥分配 102

4.3 量子密钥分配协议 103

4.3.1 BB84协议 103

4.3.2 B92协议 106

4.3.3 6态协议 107

4.3.4 Ekert协议 108

4.4 量子密钥分配协议仿真 109

4.4.1 仿真算法的设计 109

4.4.2 BB84协议仿真及结果分析 110

4.4.3 6态协议仿真及结果分析 115

4.4.4 B92协议仿真及结果分析 117

4.4.5 几种量子加密算法的比较分析 118

4.5 量子密码安全性分析 121

4.5.1 不可克隆原理保证下安全性证明 121

4.5.2 Ekert协议安全性证明 122

4.6 量子安全直接通信 123

4.6.1 乒乓量子安全直接通信协议 124

4.6.2 Two-Step量子安全直接通信协议 125

4.6.3 量子一次一密安全直接通信协议 127

4.6.4 基于量子CSS编码的安全直接通信协议 128

第5章 量子通信 130

5.1 量子纠缠态的性质、产生和测量 130

5.1.1 量子纠缠态的基本性质 130

5.1.2 光子纠缠对的产生 131

5.1.3 利用光子晶体光纤产生纠缠光子对 133

5.1.4 光子纠缠对的控制与测量 135

5.1.5 纠缠的定量描述 135

5.2 双光子纠缠态在量子通信中的应用 137

5.2.1 量子通信方案 137

5.2.2 量子通信实验 140

5.3 基于单光子的量子密码术 142

5.3.1 BB84协议 143

5.3.2 量子误码率 143

5.3.3 量子编码 145

5.3.4 单光子密钥分配实验 147

5.4 连续变量纠缠 150

5.4.1 双模压缩态 150

5.4.2 二体纠缠 152

5.5 利用连续变量的量子通信 156

5.5.1 量子远程传态 156

5.5.2 量子密集编码 161

5.5.3 量子密码术 163

第6章 量子计算基础 168

6.1 从经典信息到量子信息 168

6.2 量子比特 169

6.2.1 单量子比特 169

6.2.2 双量子比特 170

6.2.3 多量子比特 171

6.3 量子逻辑门 171

6.3.1 单比特量子门 171

6.3.2 多比特量子门 173

6.3.3 量子门的通用性 174

6.4 量子计算的并行性 175

6.5 Deutsch量子算法 177

6.6 Shor量子算法 178

6.6.1 因子分解问题求解的基本思想 178

6.6.2 Shor算法的实现步骤 179

6.7 Grover量子算法 180

6.7.1 基于黑箱的搜索思想 180

6.7.2 Grover算法搜索步骤 181

6.7.3 Grover算法搜索过程几何描述 182

6.7.4 算法性能分析 183

6.8 量子计算机的实现 184

6.8.1 实现量子计算机的条件 184

6.8.2 几个量子计算机实验方案 185

6.8.3 量子纠错的基本原理 190

第7章 量子模拟 197

7.1 量子模拟器研究现状 198

7.1.1 量子模拟器设计目的和功能需求 198

7.1.2 量子模拟器的特性需求 199

7.1.3 量子计算模拟器现状 199

7.2 量子模拟系统表示法 200

7.2.1 BDD量子模拟器 200

7.2.2 量子寄存器状态 203

7.2.3 量子门 203

7.2.4 运算 203

7.3 量子计算语言 204

7.3.1 语言特点 204

7.3.2 量子寄存器 205

7.3.3 量子表达式 206

7.3.4 量子语句 206

7.4 量子计算的并行模拟 208

7.4.1 并行计算技术 208

7.4.2 量子计算并行模拟技术 209

7.5 量子模拟的几个实例 212

7.5.1 量子模拟的基本理论 212

7.5.2 可用于量子模拟的系统 215

7.5.3 量子模拟的发展 217

第8章 量子度量学 219

8.1 量子度量学的形成过程 220

8.2 光场压缩态及其在相位高精密测量中的应用 222

8.2.1 光场压缩态的概念 222

8.2.2 压缩态在亚散粒噪声光学测量及量子测量方面的应用 223

8.3 量子纠缠态及其在量子度量中的应用 226

8.4 量子成像 232

8.4.1 量子成像的原理和优势 233

8.4.2 量子成像的研究现状 234

8.4.3 关联光学的基本原理 236

8.4.4 量子成像的关键技术 251

8.5 量子雷达 252

8.5.1 量子雷达的原理和优势 252

8.5.2 量子雷达的研究现状 254

8.5.3 量子雷达的关键技术 256

参考文献 258