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內(nèi)容簡介

　　本書清晰介紹了量子計算的核心概念、術(shù)語和技術(shù)，涵蓋數(shù)學(xué)、物理學(xué)和信息論的基礎(chǔ)知識，同時還提供量子編程動手實踐。本書揭開了隱藏在量子計算中的技術(shù)概念和數(shù)學(xué)原理的神秘面紗，展示了量子計算系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建方式，解釋了量子計算系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)安全的影響，同時預(yù)覽了抗量子密碼學(xué)的進展。本書還扼要介紹了當(dāng)今領(lǐng)先的量子編程語言Microsoft Q#和QASM。各章包含的習(xí)題測試和示例項目有助于讀者深入理解和運用所學(xué)知識。本書文字淺顯易懂，是量子計算初學(xué)者的完美指南。

作者簡介

　　查克·伊斯特姆（Chuck Easttom）博士在計算機安全、取證和密碼學(xué)等領(lǐng)域出版了 31 部著作，其中部分著作已被 60 多所高校用作教材。伊斯特姆博士還在數(shù)字取證、網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)、密碼學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)表過大量學(xué)術(shù)論文（超過 70 篇），同時擁有 22 項計算機科學(xué)發(fā)明專利。他擁有 3 個博士學(xué)位：網(wǎng)絡(luò)安全方面的科學(xué)博士學(xué)位（論文題目為《用于后量子計算的基于格的密碼算法研究》），納米技術(shù)方面的技術(shù)博士學(xué)位（論文題目為《復(fù)雜性對碳納米管故障的影響》），以及計算機科學(xué)博士學(xué)位（論文題目為《關(guān)于圖論在數(shù)字取證中的應(yīng)用》）。此外，他還擁有應(yīng)用計算機科學(xué)、教育學(xué)和系統(tǒng)工程等 3 個專業(yè)的碩士學(xué)位。伊斯特姆博士還是電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）和國際計算機協(xié)會（ACM）資深會員，國際密碼研究協(xié)會（IACR）和系統(tǒng)工程國際委員會（INCOSE）會員，以及國際計算機協(xié)會杰出演講者和電氣電子工程師學(xué)會杰出訪問者。伊斯特姆博士現(xiàn)任喬治城大學(xué)兼職講師。譯者簡介王仁強，四川外國語大學(xué)副校長、教授、博士、博士生導(dǎo)師，兼任中國高等教育學(xué)會外語教學(xué)研究分會副理事長、中國辭書學(xué)會常務(wù)理事兼學(xué)術(shù)委員會委員，是國內(nèi)外多種重要期刊匿名審稿專家；重慶市學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，重慶英才·創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，重慶市高校哲學(xué)社會科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新團隊（語言大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用創(chuàng)新團隊）帶頭人；主要從事詞典學(xué)、語料庫語言學(xué)、認知語言學(xué)和語言類型學(xué)研究，近年來轉(zhuǎn)向從事量子語言學(xué)研究；主持國家社科基金項目3項，出版著作8部，發(fā)表論文50余篇，獲得省級教學(xué)科研成果獎4次；英國愛丁堡大學(xué)和美國新墨西哥大學(xué)訪問學(xué)者。吳銘，四川外國語大學(xué)英語學(xué)院外國語言學(xué)及應(yīng)用語言學(xué)專業(yè)在讀博士生，研究方向為語料庫語言學(xué)和詞典學(xué)，在核心期刊發(fā)表論文多篇。

圖書目錄

第1章線性代數(shù)入門 1
1.1 什么是線性代數(shù) 2
1.2 代數(shù)入門 3
1.2.1 群、環(huán)和域 5
1.3 矩陣數(shù)學(xué) 9
1.3.1 矩陣加法和乘法 10
1.3.2 矩陣轉(zhuǎn)置 12
1.3.3 子矩陣 13
1.3.4 單位矩陣 14
1.3.5 深入了解矩陣 15
1.4 向量和向量空間 22
1.5 集合論 24
1.6 小結(jié) 27
第2章復(fù)數(shù) 31
2.1 什么是復(fù)數(shù) 31
2.2 復(fù)數(shù)的代數(shù)運算 33
2.3 用圖形表示復(fù)數(shù) 37
2.4 用向量表示復(fù)數(shù) 44
2.5 泡利矩陣 47
2.5.1 泡利矩陣的代數(shù)性質(zhì) 51
2.6 超越數(shù) 54
2.7 小結(jié) 55
第3章用于量子計算的物理學(xué)基礎(chǔ) 57
3.1 量子之旅 58
3.2 量子物理學(xué)要點 62
3.2.1 基本原子結(jié)構(gòu) 62
3.2.2 希爾伯特空間 65
3.2.3 不確定性 67
3.2.4 量子態(tài) 70
3.2.5 量子糾纏 72
3.3 小結(jié) 74
第4章用于量子計算的計算機科學(xué)基礎(chǔ) 77
4.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 78
4.1.1 列表 79
4.1.2 二叉樹 85
4.2 算法 85
4.2.1 排序算法 87
4.3 計算復(fù)雜性理論 90
4.3.1 圈復(fù)雜度 91
4.3.2 霍爾斯特德度量指標 91
4.4 編碼理論 92
4.5 邏輯門 93
4.5.1 與 94
4.5.2 或 94
4.5.3 異或 94
4.5.4 邏輯門的應(yīng)用 95
4.6 計算機架構(gòu) 98
4.7 小結(jié) 100
第5章基本信息論 103
5.1 基本概率 104
5.1.1 基本概率規(guī)則 104
5.2 集合論 106
5.3 信息論 109
5.3.1 定理1：香農(nóng)的信源編碼定理 110
5.3.2 定理2：有噪信道編碼定理 110
5.3.3 信息熵 110
5.3.4 信息多樣性 114
5.4 量子信息論 116
5.5 小結(jié) 117
第6章基本量子理論 120
6.1 量子力學(xué)進階 121
6.1.1 狄拉克符號 121
6.1.2 哈密頓算符 122
6.1.3 波函數(shù)坍縮 123
6.1.4 薛定諤方程 126
6.2 量子退相干 127
6.3 量子電動力學(xué) 129
6.4 量子色動力學(xué) 132
6.5 費曼圖 133
6.6 小結(jié) 134
第7章量子糾纏與量子密鑰分發(fā) 137
7.1 量子糾纏 137
7.2 詮釋 142
7.2.1 哥本哈根詮釋 143
7.2.2 多重世界詮釋 144
7.2.3 退相干歷史詮釋 144
7.2.4 客觀坍縮理論 145
7.3 量子密鑰交換 145
7.3.1 BB84 協(xié)議 146
7.3.2 B92 協(xié)議 148
7.3.3 SARG04 協(xié)議 148
7.3.4 六態(tài)協(xié)議 150
7.3.5 E91協(xié)議 150
7.3.6 協(xié)議的實現(xiàn) 150
7.4 小結(jié) 151
第8章量子架構(gòu) 153
8.1 深入了解量子位 153
8.2 量子門 157
8.2.1 阿達瑪門 158
8.2.2 相移門 160
8.2.3 泡利門 160
8.2.4 交換門 161
8.2.5 弗雷德金門 162
8.2.6 托佛利門 162
8.2.7 受控門 162
8.2.8 伊辛門 163
8.2.9 Gottesman-Knill 定理 164
8.3 與門有關(guān)的更多信息 165
8.4 量子電路 166
8.5 D-Wave量子架構(gòu) 168
8.5.1 超導(dǎo)量子比特 169
8.6 小結(jié) 170
第9章量子硬件 172
9.1 量子位 172
9.1.1 光子 173
9.1.2 電子 175
9.1.3 離子 176
9.1.4 核磁共振量子計算 177
9.1.5 玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)量子計算 178
9.1.6 砷化鎵量子點 179
9.2 需要多少個量子位 180
9.3 解決退相干問題 181
9.3.1 過冷 183
9.3.2 處理噪聲 184
9.3.3 過濾噪聲 185
9.4 拓撲量子計算 185
9.4.1 編織理論基礎(chǔ) 185
9.4.2 編織理論進階 186
9.4.3 拓撲計算進階 186
9.5 量子計算機組件 186
9.5.1 量子數(shù)據(jù)平面 187
9.5.2 測量平面 187
9.5.3 控制處理器平面 187
9.6 量子網(wǎng)絡(luò) 187
9.6.1 東京量子密鑰分發(fā) 187
9.6.2 京滬干線 188
9.6.3 墨子號衛(wèi)星 188
9.6.4 分布式量子計算 188
9.7 小結(jié) 188
第10章量子算法 191
10.1 何為算法 191
10.2 多伊奇算法 194
10.3 多伊奇-約薩算法 197
10.4 伯恩斯坦-瓦茲拉尼算法 198
10.5 西蒙算法 200
10.6 肖爾算法 201
10.6.1 量子周期查找函數(shù) 204
10.7 格羅弗算法 207
10.8 小結(jié) 209
第11章當(dāng)代非對稱算法 211
11.1 RSA 212
11.1.1 RSA示例1 214
11.1.2 RSA示例2 214
11.1.3 因式分解RSA密鑰 215
11.2 迪菲-赫爾曼算法 216
11.2.1 艾爾加瑪爾加密算法 217
11.2.2 MQV 218
11.3 橢圓曲線 219
11.3.1 橢圓曲線迪菲·赫爾曼算法 223
11.3.2 橢圓曲線數(shù)字簽名算法 224
11.4 小結(jié) 225
第12章量子計算對密碼學(xué)的影響 227
12.1 非對稱密碼學(xué) 228
12.1.1 需要多少個量子位 229
12.2 特定算法 230
12.2.1 RSA 230
12.2.2 迪菲-赫爾曼 230
12.2.3 橢圓曲線密碼 231
12.2.4 對稱密碼 231
12.2.5 密碼散列 231
12.3 具體應(yīng)用 232
12.3.1 數(shù)字證書 232
12.3.2 SSL/TLS 233
12.3.4 公鑰基礎(chǔ)設(shè)施 236
12.3.5 虛擬專用網(wǎng)絡(luò) 238
12.3.6 安全外殼協(xié)議 239
12.4 小結(jié) 240
第13章基于格的密碼學(xué) 242
13.1 基于格的數(shù)學(xué)問題 243
13.1.1 短整數(shù)問題 245
13.1.2 短向量問題 246
13.1.3 近向量問題 246
13.2 加密算法 247
13.2.1 NTRU 247
13.2.2 GGH 250
13.2.3 佩克特環(huán)簽名算法 251
13.3 解決格問題 254
13.3.1 LLL算法 254
13.4 小結(jié) 256
第14章多元密碼學(xué) 259
14.1 數(shù)學(xué) 259
14.2 Matsumoto-Imai算法 261
14.3 隱域方程 263
14.4 多元二次數(shù)字簽名方案 265
14.5 SFLASH 266
14.6 小結(jié) 268
第15章后量子密碼學(xué)的其他方法 270
15.1 散列函數(shù) 270
15.1.1 Merkle-Damgaard 271
15.1.2 SWIFFT 271
15.1.3 蘭伯特簽名 274
15.2 基于編碼的密碼學(xué) 275
15.2.1 McEliece 275
15.2.2 Niederreiter密碼系統(tǒng) 277
15.3 超奇異同源密鑰交換 278
15.3.1 橢圓曲線 278
15.3.2 超奇異同源迪菲-赫爾曼算法 281
15.4 小結(jié) 284
第16章使用Q# 287
16.1 基本編程概念 287
16.1.1 變量和語句 288
16.1.2 控制結(jié)構(gòu) 290
16.1.3 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計 292
16.2 Q#入門 293
16.3 格羅弗算法 298
16.3.1 格羅弗算法回顧 298
16.3.2 格羅弗算法代碼 300
16.4 多伊奇-約薩算法 303
16.4.1 多伊奇-約薩算法回顧 303
16.4.2 多伊奇-約薩算法代碼 304
16.5 位翻轉(zhuǎn) 306
16.6 小結(jié) 307
第17章使用量子匯編語言 309
17.1 基本編程概念 310
17.1.1 指令 310
17.1.2 命令行 313
17.2 開始使用QASM 314
17.3 量子糾錯 315
17.4 格羅弗算法 317
17.4.1 格羅弗算法回顧 317
17.4.2 格羅弗算法代碼 318
17.5 多伊奇-約薩算法 320
17.5.1 多伊奇-約薩算法回顧 320
17.5.2 多伊奇-約薩算法代碼 321
17.6 小結(jié) 322
附錄章節(jié)測試答案 324