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顛覆:迎接第二次量子革命 版權(quán)信息
- ISBN：9787030713575
- 條形碼：9787030713575 ; 978-7-03-071357-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
顛覆:迎接第二次量子革命 內(nèi)容簡(jiǎn)介
眾所周知，人類即將跨入量子技術(shù)新時(shí)代。量子信息是如何發(fā)展起來的？能為我們的生活帶來哪些新技術(shù)？年輕一代如何迎接第二次量子革命？諸多疑問，都能在本書中找到答案。 全書沿著量子理論發(fā)展的脈絡(luò)，從“量子論”的誕生講到兩場(chǎng)世紀(jì)大爭(zhēng)論，闡釋了第二次量子革命的內(nèi)涵和前景，介紹了量子計(jì)算等新技術(shù)的發(fā)展，通俗講述了量子力學(xué)的基本知識(shí)，生動(dòng)展示了量子信息技術(shù)的魅力，是難得一見的走進(jìn)量子世界的導(dǎo)引書。本書融科學(xué)性、知識(shí)性和趣味性于一體，有助于社會(huì)大眾了解量子世界從基礎(chǔ)到前沿的全貌，更是大學(xué)生學(xué)習(xí)入門的重要讀物。
顛覆:迎接第二次量子革命 目錄
目錄
總序（楊玉良）/ i
序言(楊國(guó)楨)/ v
前言（郭光燦）/ vii
**章“量子”究竟是什么/ 1
一、“量子理論”的誕生 3
二、“波動(dòng)-粒子”二象性——光子的雙縫干涉 19
三、描述量子世界的“量子語言”——量子態(tài) 27
第二章愛因斯坦的“幽靈”/ 33
一、愛因斯坦與玻爾的爭(zhēng)論 35
二、 EPR佯謬 48
三、 EPR思想實(shí)驗(yàn)的回應(yīng)與影響 54
四、愛因斯坦與玻爾爭(zhēng)論的焦點(diǎn)與實(shí)質(zhì) 62
五、“幽靈”可否用來實(shí)現(xiàn)超光速通信 68
第三章神奇的量子非局域性/ 73
一、貝爾定理與非局域性 75
二、量子糾纏 90
三、量子隱形傳態(tài) 96
四、量子技術(shù)能否將人瞬間轉(zhuǎn)移 103
第四章薛定諤貓究竟是怎么死亡的/ 107
一、薛定諤貓佯謬 109
二、哥本哈根學(xué)派：量子測(cè)量導(dǎo)致波包塌縮是“貓”的死因 121
三、環(huán)境消相干導(dǎo)致薛定諤貓的死亡嗎 127
四、薛定諤貓的自然死亡 135
第五章第二次量子革命/ 141
一、第二次量子革命是什么 143
二、量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的融合問題 158
三、傳統(tǒng)量子力學(xué)向何處發(fā)展 165
四、萬物源于真空 176
第六章量子計(jì)算——顛覆性的新技術(shù)/ 183
一、從摩爾定律的終結(jié)到量子計(jì)算的誕生 185
二、量子計(jì)算機(jī)的工作原理 187
三、量子編碼 192
四、量子算法 198
五、量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn) 206
六、量子計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀與前景 219
七、量子計(jì)算機(jī)帶來的顛覆性影響 226
第七章量子密碼果真絕對(duì)安全嗎/ 233
一、傳統(tǒng)密碼技術(shù)面臨的挑戰(zhàn) 235
二、量子密碼的誕生 250
三、實(shí)用的量子密碼 260
四、量子密碼的發(fā)展 262
五、量子技術(shù)時(shí)代的信息安全 268
第八章量子模擬中的有趣量子現(xiàn)象/ 273
一、量子模擬的原理 275
二、量子麥克斯韋妖 277
三、馬約拉納零模 282
四、拓?fù)湮锵唷?88
第九章量子優(yōu)盤/ 295
一、量子存儲(chǔ)器：概念及應(yīng)用 297
二、固態(tài)量子存儲(chǔ)器 303
三、實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)盤 312
四、總結(jié)與展望 321
主要參考文獻(xiàn)/ 325
總序（楊玉良）/ i
序言(楊國(guó)楨)/ v
前言（郭光燦）/ vii
**章“量子”究竟是什么/ 1
一、“量子理論”的誕生 3
二、“波動(dòng)-粒子”二象性——光子的雙縫干涉 19
三、描述量子世界的“量子語言”——量子態(tài) 27
第二章愛因斯坦的“幽靈”/ 33
一、愛因斯坦與玻爾的爭(zhēng)論 35
二、 EPR佯謬 48
三、 EPR思想實(shí)驗(yàn)的回應(yīng)與影響 54
四、愛因斯坦與玻爾爭(zhēng)論的焦點(diǎn)與實(shí)質(zhì) 62
五、“幽靈”可否用來實(shí)現(xiàn)超光速通信 68
第三章神奇的量子非局域性/ 73
一、貝爾定理與非局域性 75
二、量子糾纏 90
三、量子隱形傳態(tài) 96
四、量子技術(shù)能否將人瞬間轉(zhuǎn)移 103
第四章薛定諤貓究竟是怎么死亡的/ 107
一、薛定諤貓佯謬 109
二、哥本哈根學(xué)派：量子測(cè)量導(dǎo)致波包塌縮是“貓”的死因 121
三、環(huán)境消相干導(dǎo)致薛定諤貓的死亡嗎 127
四、薛定諤貓的自然死亡 135
第五章第二次量子革命/ 141
一、第二次量子革命是什么 143
二、量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的融合問題 158
三、傳統(tǒng)量子力學(xué)向何處發(fā)展 165
四、萬物源于真空 176
第六章量子計(jì)算——顛覆性的新技術(shù)/ 183
一、從摩爾定律的終結(jié)到量子計(jì)算的誕生 185
二、量子計(jì)算機(jī)的工作原理 187
三、量子編碼 192
四、量子算法 198
五、量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn) 206
六、量子計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀與前景 219
七、量子計(jì)算機(jī)帶來的顛覆性影響 226
第七章量子密碼果真絕對(duì)安全嗎/ 233
一、傳統(tǒng)密碼技術(shù)面臨的挑戰(zhàn) 235
二、量子密碼的誕生 250
三、實(shí)用的量子密碼 260
四、量子密碼的發(fā)展 262
五、量子技術(shù)時(shí)代的信息安全 268
第八章量子模擬中的有趣量子現(xiàn)象/ 273
一、量子模擬的原理 275
二、量子麥克斯韋妖 277
三、馬約拉納零模 282
四、拓?fù)湮锵唷?88
第九章量子優(yōu)盤/ 295
一、量子存儲(chǔ)器：概念及應(yīng)用 297
二、固態(tài)量子存儲(chǔ)器 303
三、實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)盤 312
四、總結(jié)與展望 321
主要參考文獻(xiàn)/ 325
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顛覆:迎接第二次量子革命 節(jié)選
**章 『量子』究竟是什么 簡(jiǎn)而言之，我所做的事情可以說不過是孤注一擲的一招。 ——馬克斯 普朗克 一、“量子理論”的誕生 （一）經(jīng)典物理的巔峰時(shí)刻 人類在長(zhǎng)期探索大自然奧秘的歷程中，逐漸將變幻莫測(cè)的自然現(xiàn)象在物理層面上歸納為三個(gè)不同的門類——力學(xué)、熱力學(xué)和電磁學(xué)，并致力于尋找它們各自的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 1687年，艾薩克 牛頓（Isaac Newton）在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中提出了力學(xué)的牛頓三定律和萬有引力定律，并建立了統(tǒng)一的力學(xué)體系。隨后的100多年，經(jīng)過萊昂哈德 歐拉（Leonhard Euler）、讓 勒朗 達(dá)朗貝爾（Jean le Rond d’Alembert）、約瑟夫 拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）和皮埃爾-西蒙 拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）等人的進(jìn)一步努力，利用數(shù)學(xué)中的變分方法和*小作用量原理，他們建立了與牛頓力學(xué)等價(jià)的歐拉-拉格朗日方程。*終由威廉 盧云 哈密頓（William Rowan Hamilton）于1834年提出了哈密頓原理以及正則方程，完成了分析力學(xué)的全部理論，實(shí)現(xiàn)了牛頓力學(xué)理論的*后一次飛躍。到19世紀(jì)末，理論力學(xué)已經(jīng)是一個(gè)非常完善的學(xué)科，在很多領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了精確的計(jì)算。特別值得提到的是，1843年英國(guó)的約翰 柯西 亞當(dāng)斯（John Couch Adams）利用力學(xué)理論，通過對(duì)天王星軌道偏離的計(jì)算，精確地預(yù)言了海王星的軌跡，并*終于1846年9月23日被天文觀測(cè)所證實(shí)。這個(gè)成就標(biāo)志著力學(xué)理論達(dá)到了前所未有的高度：上至宇宙中的各種天體，下至地面上的小小顆粒，都可以通過牛頓力學(xué)來了解它的運(yùn)動(dòng)。 在19世紀(jì)末，人們已經(jīng)基本認(rèn)識(shí)到熱力學(xué)的三大定律。約西亞 威拉德 吉布斯（Josiah Willard Gibbs）在詹姆斯 克拉克 麥克斯韋（James Clerk Maxwell）和路德維希 玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）思想的基礎(chǔ)上，明確地形成了系綜這個(gè)熱力學(xué)基本概念，并創(chuàng)立了系綜的統(tǒng)計(jì)方法。系綜統(tǒng)計(jì)方法的建立，將熱學(xué)的唯象理論與分子運(yùn)動(dòng)論兩個(gè)基本的研究方向整合到一個(gè)有機(jī)的研究體系中。 自1785年查理-奧古斯丁 德庫侖（Charles-Augustin de Coulomb）發(fā)現(xiàn)庫侖定律、開創(chuàng)定量研究電學(xué)現(xiàn)象以來，經(jīng)過漢斯 克里斯蒂安 奧斯特（Hans Christian .ersted）、讓 巴蒂斯特 畢奧（Jean-Baptiste Biot）、菲利克斯 薩伐爾（Felix Savart）、安德烈 瑪麗 安培（Andre-Marie Ampère）、約翰 卡爾 弗里德里希 高斯（Johann Carl Friedrich Gauss）、邁克爾 法拉第（Michael Faraday）等人的努力，*終由麥克斯韋在1873年的《電磁通論》（A Treatise on Electricity and Magnetism）中建立了優(yōu)美的麥克斯韋方程。即使以現(xiàn)在的觀點(diǎn)來看，麥克斯韋方程依然是科學(xué)的美的光輝典范；它的優(yōu)美、簡(jiǎn)潔、對(duì)稱、深刻，折服和激勵(lì)了一代又一代的物理學(xué)家。玻爾茲曼在看到麥克斯韋方程后也不由得驚呼：難道這是上帝寫的嗎？人們甚至認(rèn)為，麥克斯韋方程是人類有史以來*優(yōu)美的公式。麥克斯韋方程不僅成功地預(yù)言了電磁波的存在，而且進(jìn)一步指出光是一種電磁波，從而實(shí)現(xiàn)了電磁學(xué)與光學(xué)的統(tǒng)一。電磁波的預(yù)言，被海因里希 魯?shù)婪?赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）1887年的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)（我們后面會(huì)提到，赫茲的實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)），開啟了人類的無線通信時(shí)代。 至19世紀(jì)末，經(jīng)典物理的三大支柱——經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)以及經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)都已經(jīng)完整地建立起來了。這三個(gè)理論自身已經(jīng)經(jīng)受住各種實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，并廣泛地應(yīng)用于各自領(lǐng)域。更為重要的是，這三大支柱之間也是自洽的、相互融合的，一起形成了一個(gè)包括力、熱、光、電、聲的宏偉而完整的物理學(xué)體系。這個(gè)體系本身嚴(yán)謹(jǐn)而優(yōu)美，蘊(yùn)含了豐富、深刻、明晰的物理學(xué)概念。19世紀(jì)末是經(jīng)典物理的“黃金時(shí)代”，科學(xué)從來沒有像那時(shí)那么強(qiáng)大過：人們利用已知的理論，幾乎可以解釋已知的一切物理現(xiàn)象。連*偉大的物理學(xué)家都認(rèn)為已經(jīng)看到了上帝的底牌，找到了所有的基本物理原理，物理學(xué)已經(jīng)到了盡善盡美的盡頭。在這樣的情況下，我們能做的就是對(duì)這座理論大廈的修修補(bǔ)補(bǔ)，而且只能在一些細(xì)節(jié)上做些補(bǔ)充（如更加精確地測(cè)量一些物理參數(shù)）。物理學(xué)家們甚至發(fā)出了“物理學(xué)的未來只有在小數(shù)點(diǎn)第六位以后尋找了”的感慨。然而事實(shí)真的如此嗎？ （二）物理學(xué)的兩朵“烏云” 1900年4月27日，頑固而保守的開爾文勛爵（Lord Kelvin），在倫敦的英國(guó)皇家研究所做了題為“在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)的烏云”的報(bào)告a。他在這個(gè)報(bào)告中開宗明義地指出：“動(dòng)力學(xué)理論斷言熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式，現(xiàn)在，這種理論的優(yōu)美性和明晰性被兩朵‘烏云’遮蔽得黯然失色了。**朵‘烏云’是隨著光的波動(dòng)理論而出現(xiàn)的。奧古斯丁-讓 菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）和托馬斯 楊（Thomas Young）都研究過光的波動(dòng)理論，這個(gè)理論包含有這樣一個(gè)未解的問題：地球如何能夠在本質(zhì)上是光以太的彈性固體中運(yùn)動(dòng)？而第二朵‘烏云’是麥克斯韋和玻爾茲曼關(guān)于能量均分的學(xué)說。”在20世紀(jì)之初，憂心忡忡的開爾文勛爵和一片歡呼的整個(gè)物理學(xué)界形成鮮明的對(duì)比。 開爾文勛爵說的**朵“烏云”與失敗的邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)相關(guān)。 在經(jīng)典物理和經(jīng)典時(shí)空觀中，時(shí)間和空間都是絕對(duì)的。在這個(gè)絕對(duì)時(shí)空觀中，需要引入一個(gè)絕對(duì)靜止的參考系，人們稱之為以太。任何物體相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，都是絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的初衷是測(cè)量以太相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)速度。麥克斯韋的電磁波理論提供了一個(gè)高精度的測(cè)量以太相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)速度的方法。按麥克斯韋1879年提出的測(cè)量方法，光線分別在平行和垂直于地球運(yùn)動(dòng)方向上做等距的往返傳播，如果以太理論正確的話，平行于地球方向所花的時(shí)間將會(huì)略大于垂直方向的時(shí)間。 阿爾伯特 亞伯拉罕 邁克爾孫（Albert Abraham Michelson）出生于歐洲，四歲時(shí)隨父母移民美國(guó)。1880～1881年，邁克爾孫就在亥姆霍茲的實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)并組裝了麥克斯韋建議的檢驗(yàn)地球和以太的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的干涉儀。1885年，邁克爾孫又和愛德華 威廉 莫雷（Edward Williams Morley）合作，以更高的精度重復(fù)了1881年的實(shí)驗(yàn)。邁克爾孫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表明：兩束光根本就沒有表現(xiàn)出任何的時(shí)間差。這是當(dāng)時(shí)整個(gè)物理學(xué)界*精密的實(shí)驗(yàn)。邁克爾孫也由于其在精密光學(xué)儀器、光譜學(xué)、計(jì)量理論研究方面所取得的成果，獲得了1907年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也是**位獲此殊榮的美國(guó)公民。 雖然邁克爾孫的實(shí)驗(yàn)表明了以太理論的失敗，但人們當(dāng)時(shí)還沒有意識(shí)到問題的嚴(yán)重性，普遍認(rèn)為可以通過修訂現(xiàn)有的以太理論來解決這個(gè)問題。即使是開爾文勛爵本人，當(dāng)時(shí)也是這么認(rèn)為的。當(dāng)然，后來隨著對(duì)這個(gè)問題的深入研究，人們逐漸認(rèn)識(shí)到以太理論的不可救藥，放棄了以太理論和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念，并*終由阿爾伯特 愛因斯坦（Albert Einstein）在1905年創(chuàng)造了相對(duì)論。 （三）黑體輻射：背景、問題、經(jīng)典曲線 開爾文勛爵提到的第二朵“烏云”是能量均分問題，更確切地說是黑體輻射問題。“黑體輻射”的概念是德國(guó)海德堡大學(xué)的物理學(xué)家古斯塔夫 羅伯特 基爾霍夫（Gustav Robert Kirchho.）a在1859年為了簡(jiǎn)化分析提出來的。他所說的黑體是指對(duì)光能進(jìn)行完美吸收的物體，按照他的想法，一個(gè)完美吸收的物體是沒有任何輻射的，因而看起來就應(yīng)該是黑的。那么，黑體應(yīng)該長(zhǎng)什么樣呢？基爾霍夫把在一個(gè)面上開了一個(gè)細(xì)微的小孔的空盒子近似成一個(gè)黑體：無論是何種波段的光，也不管它從哪個(gè)方向通過小孔進(jìn)入這個(gè)盒子，都會(huì)在盒子的各個(gè)面之間來回地反射，直到被完全吸收為止。基爾霍夫的研究表明，黑體輻射的分布與黑體的材料、黑體的幾何尺寸等都沒有關(guān)系，它只與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)——黑體的溫度以及輻射的波長(zhǎng)。盡管基爾霍夫的研究結(jié)果很明確，但在他所處的時(shí)代，人們還沒有能力做出真正的黑體來驗(yàn)證它。
顛覆:迎接第二次量子革命 作者簡(jiǎn)介
郭光燦是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士、中國(guó)量子光學(xué)和量子信息科學(xué)的開拓者、先行者與奠基人。
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