量子電腦 — 穿越未來世界

目錄

第1章漫話： 量子計算機來了1

1.1量子技術的前世今生1

1.1.1先說說什麼是量子1

1.1.2宏觀世界和微觀世界是那麼的不同2

1.2世界上最小的“東西”是量子3

1.2.1分子、原子和量子，哪個最大？哪個最小3

1.2.2量子計算機是什麼7

1.2.3量子計算將在我們有生之年普及11

1.3計算機和力學12

1.3.1量子力學與現實生活有什麼聯繫12

1.3.2什麼是量子力學 13

1.3.3全新的計算理論誕生16

1.410分鐘看懂量子比特、量子計算和量子算法16

1.4.1波粒二象性17

1.4.2量子糾纏17

1.4.3量子疊加18

1.4.4量子比特和量子計算21

1.5量子計算機是什麼計算機24

1.5.1什麼是量子計算機241.5.2量子計算機的前世今生25

1.5.3量子計算機進入世界級競賽27

1.6未來世界是量子互聯網的時代33

1.7現在最火的是量子通信35

1.7.1量子通信衛星怎麼樣給小明發送密碼35

1.7.2最火的顛覆性技術量子通信在中國37

1.8通信編碼需要大智慧39

1.8.1解說通信編碼39

1.8.2我要說的是“悄悄話”40

1.9當今所有密碼系統都失效了44

1.9.1量子加密的“不破金身”44

1.9.2走近“顛覆性技術”——量子通信能否取代傳統通信46

第2章計算機祖孫三代47

2.1計算機爺爺——圖靈機模型47

2.1.1艾倫·圖靈是個科學家47

2.1.2圖靈機模型49

2.1.3計算機界的諾貝爾獎50

2.2所有計算機的同一祖宗——圖靈機50

2.3計算機爸爸——馮·諾依曼機53

2.3.1第一個“攢”計算機的人——馮·諾依曼53

2.3.2經典計算機的五臟六腑55

2.3.3經典計算機的工作“門道”57

2.4計算機孫子——量子計算機60

2.4.1量子計算機的起源60

2.4.2量子計算機的研究歷史61

2.4.3量子計算機算法理論62

2.5量子計算機的“硬件單元”已經造出來了66

2.5.1量子計算機的硬件單元67

2.5.2量子計算機的硬件邏輯單元是用什麼材料做成的71

2.5.3新型量子計算機首個基本元件問世72

2.5.4世界上第一個完整的量子計算機芯片設計揭曉73

2.6量子計算機裡面還得有“軟件算法”74

2.6.1量子計算機的算法理論 74

2.6.2為量子計算機量身定做的Shor算法75

2.6.3量子並行計算的隨機搜索——Grover算法76

2.7量子計算機展望77

第3章牛頓力學的困境及飛躍82

3.1物理大家族82

3.1.1經典物理學的建立發展過程82

3.1.2物理學的危機83

3.1.3經典物理學的完成和局限85

3.1.4量子論的出現87

3.2家族長子： 牛頓力學89

3.2.1蘋果為什麼會落在牛頓頭上89

3.2.2牛頓是誰91

3.2.3牛頓想的也對也不對： 適用範圍與局限性93

3.3家族長孫： 量子力學97

3.3.1量子力學漫談97

3.3.2量子力學是用來解釋微觀粒子的物理分支100

3.3.3“薛定諤貓”的困境 102

3.3.4量子世界中，波函數到底是數學描述還是實體104

3.3.5搞量子力學沒點高數基礎不行——薛定諤方程106

3.3.6眼見為實： 量子力學的實驗證明108

3.3.7牛頓力學與量子力學的決戰113

3.4獨門絕活： 量子糾纏119

3.4.1給量子糾纏做個CT119

3.4.2千里之外的心靈感應： 隱形傳輸124

3.4.3量子糾纏將遠程控制你的生活127

3.5川劇變臉： 量子態套疊128

3.5.1一般人都搞不清楚的量子態套疊128

3.5.2原來如此： 量子態套疊原理129

3.6挑戰量子力學的帶頭大哥——愛因斯坦129

3.6.1量子力學描述世界的語言跟經典力學有根本區別129

3.6.2EPR實驗131

3.6.3泊松亮斑133

3.6.4量子隱形傳態是“嗖”的一聲把人傳過去的瞬間傳輸嗎133

第4章量子信息臉譜137

4.1什麼是量子信息137

4.1.1量子信息三兄弟137

4.1.2量子信息學139

4.2量子比特不是比特幣140

4.2.1比特幣140

4.2.2量子比特141

4.3量子信息的身世143

4.3.1量子信息的源頭143

4.3.2量子信息技術的發展145

4.3.3小有小的規矩——量子編碼定理和量子編碼方案147

4.4這個“比特”和那個“比特”不一​​樣149

4.4.1風光無限“大哥大”——經典比特149

4.4.2領跑下一代——量子比特150

4.4.3量子比特疊羅漢151

4.4.4謹防“李鬼”！基於量子比特原理才叫量子產品152

第5章未來世界的大佬——量子計算155

5.1量子計算156

5.1.1量子計算的發展歷程156

5.1.2量子計算的基本原理157

5.1.3量子計算機的實現159

5.1.4光量子計算機161

5.2量子計算的黑白兩道162

5.2.1白道： 量子疊加性162

5.2.2黑道：量子相干性168

5.3量子計算獨門絕技： 量子算法170

5.3.1高等數學+： 基於Shor 分解大數質因子量子算法171

5.3.2百度一下： 基於Grover 量子搜索算法172

5.3.3量子智能計算173

5.4量子計算機的細胞核： 門電路173

5.4.1華山論劍門派一： 量子邏輯門176

5.4.2華山論劍門派二： 單量子比特門180

5.4.3華山論劍門派三： 條件非門181

5.4.4華山論劍門派四： 量子芯片183

5.4.5華山論劍門派五： 量子傳感器184

5.5最火的量子計算機來了185

5.5.1眾說紛紜的理論及研究185

5.5.2信息化戰爭： 量子計算的意義不亞於核武器189

5.5.3分久必合： 量子計算機的工作原理191

5.5.4合久必分： IT世界頂級高手的競​​爭197

第6章未來世界的神經中樞——量子通信203

6.1未來世界的神經系統203

6.1.1改變世界的新技術： 量子通信203

6.1.2眾人拾柴火焰高： 量子通信的類型206

6.2雲中漫步——量子隱形傳態207

6.2.1通信神話： 量子隱形傳態的原理207

6.2.2原來是真的： 量子隱形傳態實驗209

6.3風靡全球——量子信道211

6.3.1未來世界的高速公路： 量子信道211

6.3.2能比光還快嗎： 光纖量子信道214

6.3.3太空通信： 自由空間量子信道217

6.4給互聯網插上量子的翅膀——量子通信219

6.4.1通向未來的網絡： 量子通信網絡的體系結構219

6.4.2未來世界的互聯互通：量子通信網絡中的交換技術224

6.4.3世界太大了： 量子中繼器236

6.4.4量子通信產業鏈238

第7章量子世界的“看門狗”——安全及密碼241

7.1“看門狗”的祖宗： 經典密碼學與現代密碼學241

7.1.1古羅馬人的密信： 經典密碼學242

7.1.2德國人第二次世界大戰時使用的密碼機： 現代密碼學243

7.2量子密碼的鼻祖： 海森伯測不准原理248

7.2.1海森伯不確定原理248

7.2.2測不准原理所起的作用250

7.3我的地盤我做主： 量子密碼學251

7.3.1量子密碼的起源與發展251

7.3.2量子密碼技術的原理252

7.4Alice 和Bob的對話：​​ 量子密鑰分發257

7.4.1量子密鑰分發258

7.4.2BB84 量子密鑰分發協議及其工作原理259

7.4.3量子保密通信進展以及墨子星263

7.4.4我怎麼知道有人在偷聽： 光子的偏振態266

7.5量子密碼的寶典——工作原理269

7.5.1寶典一： 量子密碼理論模式269

7.5.2寶典二： 量子密碼理論分析271

7.5.3寶典三： 量子密碼假設271

7.6人人都有的秘密——量子密鑰分發273

7.6.1量子密鑰分配的遠程通信273

7.6.2雲中漫步安全保障： 量子保密通信系統273

7.7量子安全直接通信275

第8章量子計算機的“社會分工”277

8.1世界是我們的也是你們的： 傳統計算機漸漸接近它們的極限277

8.1.1近20年芯片的發展速度幾乎沒有提升277

8.1.2登納德定律中一直在“偷懶”的芯片 280

8.1.3多核的陷阱： 從程序的角度探討計算機的極限284

8.1.4量子計算機： 誤解帶來的樂觀與恐慌287

8.2量子計算機賦予計算機一種新的計算能力水平292

8.2.1我們為什麼需要量子計算292

8.2.2量子計算機要從囚禁原子開始297

8.2.3必須“冷酷”的量子計算機298

8.2.4量子計算機研製面臨的技術困難304

8.2.5量子計算機會不會取代今天的計算機305

8.2.6量子計算機最終什麼時候實現308

8.2.7如果量子計算機被推廣，我們會失業嗎309

參考文獻313