量子信息物理原理

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本书系统介绍了量子信息论的物理原理。全书内容包括量子测量问题、双态系统、量子纠缠与纠缠分析、Bell型空间非定域性及分析、退相干分析、纯化与相干性恢复、不可克隆定理与量子Zeno效应、量子态超空间转移、量子门与简单量子网络、量子算法、量子误差纠正与保真度、量子信息论等，共计13章。重点在于阐述物理原理。每章后均附有相关文献和习题。为自学和教学方便，全部习题均给出了详细解答。.
本书既可以作为教学用书，也可作为自学和科研参考用书，适用于物理学科及电子信息学科领域的相关教师、科研人员、研究生和本科生。...

前言
第一章 量子测量及相关问题.
§1．1 量子测量及相关问题Ⅰ——量子测量基础
§1．2 量子测量及相关问题Ⅱ一一量子光学一些器件及实验分析
§1．3 量子测量及相关问题Ⅲ——广义测量与POVM
§1．4 量子测量及相关问题Ⅳ——测量导致退相干的唯象模型研究
§1．5 量子测量及相关问题Ⅴ——量子非破坏测量简介
§1．6 量子测量及相关问题小结
练习题
参考文献
第二章 量子双态体系
§2．1 双态体系的定态描述
§2．2 双态体系的幺正演化
§2．3 双态体系实验制备简介
§2．4 双态体系混态作为系综解释的含糊性
练习题
参考文献
第三章 量子纠缠、混态与量子系综
§3．1 两体系统量子态分类及纯态Schmidt分解
§3．2 两体系统的量子纠缠，定义与分析

　　近20余年来，量子力学除了更深入地应用于物理学本身许多分支学科之外，还迅速广泛地应用到了化学、生物学、材料科学、信息科学等领域。量子理论这种广泛、深入应用的结果，极大地促进了这些学科的发展，从根本上改变了它们的面貌，形成了众多科学技术研究热点，产生了许多崭新的学科；与此同时，量子力学本身也得到了很大的丰富和发展。.
　　热点之一就是已经诞生、正在形成和发展中的量子信息科学——量子通信和量子计算领域，简称为量子信息论。它是将量子力学应用于现有电子信息科学技术而形成的交叉学科。量子信息论不但将以往的经典信息扩充为量子信息，而且直接利用微观体系的量子状态来表达量子信息。从而进入人为操控、存储和传辖量子状态的崭新阶段。
　　近10多年来，量子信息论从诞生到迅猛发展，显示出十分广阔的科学和技术应用前景。这种崭新的交叉结合已经并正在继续大量生长出许多科学技术研究热点，并逐渐形成一片新兴广阔的研究领域，不断取得引人瞩目的辉煌成就。
　　量子信息论的诞生和发展，在科学方面有着深远意义。因为它反过来极大地丰富了量子理论本身内容，并且有助于加深对量子理论的理解，突出暴露并可能加速解决量子理论本身存在的基础性问题。借助这一新兴交叉学科的实验技术，改造量子力学基础，加速变革现有时空观念，加深对定域因果律的看法也许是可能的。
　　量子信息论在技术方面也有着重大影响。因为它的发展前景是量子信息技术(QIT)产业。它是更新换代目前庞大IT产业的婴儿，是推动IT产业更新换代的、动力，指引IT技术彻底变革的方向。在这方面大量、迅猛、有成效的探索性研究正在逐步导致以下各色各样的新兴分支学科的诞生：量子比特和量子存储器的梅造，人造可控量子微尺度结构，量子态的各类超空间传送(teleportation & swapping)，量子态的制备、存储、调控与传送，量子编码及压缩、纠错与容错，量子中继站技术，量子网络理论，量子计算机，量子算法等等。它们必将对国计民生和金融安全技术以及国防技术产生深刻的影响。
　　目前，一方面是寻求各色各样存取量子信息的载体——量子比特和量子信息处理器。相关的实验和理论研究正在蓬勃开展。实验中的量子信息载体不仅包括自然的微观系统，更着重于形形色色人造可控微尺度结构——也就是人造可控量子系统。在研制可控量子比特和量子存储器件时，必须考虑它们和传送环节的光场之间的可控耦合，以保证量子信息的有效写入和取出。这里最重要的是研究光场和人造原子系综的相互作用。..
　　第二方面是关于量子信息的传送。量子通信是量子信息论领域中首先走向实用化的研究方向。目前量子通信主要以极化光子为信息载体，采用纠缠光子对作为传送的量子通道。量子通信可以区分为光纤量子通信和自由空间量子通信两个方向。关于光纤量子通信方面，建立光纤量子通信局域网和延长光纤量子通信距离的时机已经到来。而利用纠缠光子实施自由空间量子通信，其最终目标是通过卫星实现全球化量子通信。量子通信要求长程、高品质、高强度的纠缠光源。这需要掌握包括纠缠纯化、纠缠交换与纠缠焊接的量子中继器技术。同时还需要展开各类量子编码(纠错码、避错码、防错码)研究，各类量子态超空间传送方式研究，进而逐步创立完善的量子网络理论。
　　第三方面是关于量子计算机方面。目前的经典计算机受到经典物理原理限制，已接近其处理能力的极限。而由于量子态叠加原理和量子纠缠特性，量子计算机具有经典计算机无法比拟的、快速的、高保密的计算功能，所以有必要研制量子计算机。制造量子计算机的核心任务是造出可控多位量子比特的量子信息处理器。这里的关键是寻求能够避免退相干、易于操控和规模化的多位量子比特。这正是制约量子计算机研制进度的主要困难。可以预计，量子计算技术的长远发展最终有赖于固体方案。关于量子计算机研制进度；乐观估计是到2010年可以在硅片技术基础上制造出10多位可控量子比特，从而造出简单的台式量子计算机；较稳健的估计是可能在下一个10年之内；持悲观估计的人们有个比喻：现在不必做出发展量子计算机的“曼哈顿计划”，因为现在还没有发现“核裂变”。
　　第四方面是关于量子力学的基础研究。这集中在以下三个方面：其一，对量子力学基础的考察。特别是集中于：量子理论本质的空间非定域性、量子纠缠的物理本质、波包坍缩的物理内涵、测量结果或然性的物理根源等等基本问题。迄今对著名EPR佯谬的一个符合实验的回答是：整个量子理论本质是空间非定域的，但目前还不能排除非定域的隐变数存在。就是说，量子力学目前虽然获得了所有实验的支持，但仍然不能断定“上帝究竟是玩还是不玩掷骰子”。其二，涉及各类纠缠态的制备、提纯、调控、传送和存取的研究。其三，涉及宏观量子效应的研究和应用。特别是现在已经知道，量子纠缠对宏观物质的物性(磁导率、热容量等)有明显的影响，所以必须给予重视。过去的统计物理说，只要知道系统的能谱——配分函数就够了。现在则还需要知道此时物质内部粒子之间量子纠缠状况。
　　量子信息科学是正在迅速崛起中的交叉领域，广阔庞杂、发展迅速、远未定型、未解决的问题成堆。因此本书只能依据当前阶段性的科研进展，结合我们科研集体的研究成果，以及个人一些心得，尽量做到全面系统阐述量子信息论的物理原理、重点和疑难问题，以及部分新进展。阐述起点尽量放低，只需具备量子力学知识；终点则落脚于近代相关文献和发展动态。阐述重点是分析物理概念，讲解基本和重要的计算方法，偏重于量子信息论的物理基础。考虑到部分读者进一步了解的需要，每章后面都列出了部分文献。同时，为了便于教学和自学，作者还编辑和拟定了一些习题，并给出了详细解答。
　　本书的最初基础是作者于1998～2000年在中国科学技术大学三次讲课的讲稿，后来2003年应邀在香港科技大学、香港中文大学和香港大学的一个联合研究生班上讲授时，做了较大的改写。接着，2004年应邀在清华大学暑期学校讲授时，再次做了重要的改进。其后一直到现在的这次定稿，又聚精会神地对全稿进行了全面扩充和仔细修订。尽管自己觉得是在“如履薄冰”地辛勤做着，终归囿于水平，更兼这门学科发展十分迅速，纵然尽心尽力，想也难尽如人意。书中片面、不足和错误在所难免，作者敬盼专家学者指教。
　　最后，也是对作者最重要的一点，感谢香港科技大学萧旭东教授和孟国武教授，感谢清华大学朱邦芬教授和吴念乐教授，他们盛情邀请和接待，给了作者以修改讲稿的宝贵机会。作者感谢香港中文大学林海青教授、香港大学汪子丹教授的友好接待。感谢陈增兵、郁司夏、逯怀新教授、吴盛俊博士，因为本书部分章节曾请他们校读过，他们提供了很好的意见。感谢赵博、杨洁和赵梅生，他们求解了书中所附的大部分习题，对有的解答做了改进。感谢吴建达、陈建兰、张涵的细心校订。没有他们深厚情谊的支持和帮助，这本书现在面世是不可能的。...
　　张永德
　　2005年4月10日