量子計算與量子資訊(10周年版‧英文)（簡體書）

尼爾森、莊編*的這本《量子計算與量子資訊（ 10周年版）（英文版）》是量子資訊領域的經典之作 ，其主要特色是內容全面、系統，結構清晰，深入淺 出，很好地反映了本領域的交叉學科特色。因此，非 常適合於具有物理學、資訊科學、數學等不同學科背 景的讀者閱讀參考。
全書分三大部分。第1部分為基本概念，介紹了 量子計算與量子資訊領域的主要思想和成果，以及進 入本領域所必需的數學、量子力學和電腦科學基礎 知識。第2部分講述量子計算，包括量子演算法及其物 理實現。第3部分為量子資訊理論，主要介紹量子糾錯 碼和量子資訊理論的數學框架，其中還包括了量子密碼 的基礎內容。
書中配有大量練習和習題，每章末尾均有“本章 小結”以及“歷史和進一步閱讀的資料”，書末還附 有多個附錄及參考文獻，可幫助讀者深入理解書中的 主要內容，補充必要的背景知識，並為讀者進一步深 入學習提供了有益的線索。

量子資訊處理可以帶來許多意想不到的具有特殊優勢的結果。量子演算法可以有效地進行大數質因數分解。在量子演算法背景下，很多經典保密通信協議的安全性受到威脅，然而量子保密通信可以抵抗來自包括量子電腦在內的任何針對通道的攻擊。由於存在諸多特殊應用，量子計算與量子資訊科學近年來得到蓬勃發展。
對於這一相對年輕但又具有廣闊發展前景的學科，優秀的系統化的教材比較缺乏。本書是本領域公認的最權威的系統化教材之一，也幾乎是本學科研究人員的必備基本材料，有學者曾將之稱為量子計算與量子資訊學科教材中的“聖經”。
本書分三大部分。
第 1部分為總論和量子物理學基礎，還包括少量電腦科學基礎知識。量子物理學基礎部分主要介紹學習量子計算與量子資訊所必需的量子力學基礎知識，這一部分採用了側重於數學框架和公理化體系的講述方法，從而更便於為非物理專業的讀者所理解。
第 2部分講述量子計算，包括量子演算法和實現量子演算法的一些物理系統的基礎內容。這部分首先介紹了實現普適量子計算所需要的基本邏輯門 ——單量子比特門與條件反閘（第4章）。之後較詳細地介紹了現有的兩個主要量子演算法問題，即質因數分解問題（第5章）和搜索問題（第6章）。第7章講物理實現，介紹了幾個主要的實現條件反閘的物理系統；這些物理系統雖然目前尚未實現大規模量子計算，但是大多數已經實現或基本實現了普適量子計算所需要的基本邏輯門。
第 3部分為量子資訊理論，主要介紹量子改錯碼和量子資訊理論的數學框架。這裡包括了非常重要的量子密碼的基礎內容，即理想條件下的安全性證明（第12.6節）。第3部分未包含物理實現內容。
本書的特點是全面包含量子計算和量子資訊的核心內容，且系統性強，結構清晰，深入淺出。這使其很適合作為相關專業的本科生和研究生教材，也適合於用作本領域研究人員的基礎參考資料；對於那些準備從其他研究領域轉行投入本領域研究的具有物理學、資訊科學或數學等專業背景的研究人員，本書也是一本非常合適的入門書籍。
如同任何其他書籍一樣，本書的內容也不可能面面俱到。本書幾乎未涉及連續變數量子資訊處理的有關內容。這方面，目前有多篇綜述論文和一些專門教材可供參考。另外，儘管同多數同類教材比較起來，本書已經較深入地介紹了量子密碼內容，但是相比於其重要性，量子密碼方面的內容量還是有些偏少，對這方面感興趣的讀者可參閱相關專著。
王向斌
清華大學物理系
2015年9月

Introduction to the Tenth Anniversary Edition
Afterword to the Tenth Anniversary Edition
Preface
Acknowledgements
Nomenclature and notation
Part I Fundamental concepts
1 Introduction and overview
1.1 Global perspectives
1.1.1 History of quantum computation and quantum information
1.1.2 Future directions
1.2 Quantum bits
1.2.1 Multiple qubits
1.3 Quantum computation
1.3.1 Single qubit gates
1.3.2 Multiple qubit gates
1.3.3 Measurements in bases other than the computational basis
1.3.4 Quantum circuits
1.3.5 Qubit copying circuit?
1.3.6 Example: Bell states
1.3.7 Example: quantum teleportation
1.4 Quantum algorithms
1.4.1 Classical computations on a quantum computer
1.4.2 Quantum parallelism
1.4.3 Deutsch’s algorithm
1.4.4 The Deutsch–Jozsa algorithm
1.4.5 Quantum algorithms summarized
1.5 Experimental quantum information processing
1.5.1 The Stern–Gerlach experiment
1.5.2 Prospects for practical quantum information processing
1.6 Quantum information
1.6.1 Quantum information theory: example problems
1.6.2 Quantum information in a wider context
2 Introduction to quantum mechanics
2.1 Linear algebra
2.1.1 Bases and linear independence
2.1.2 Linear operators and matrices
2.1.3 The Pauli matrices
2.1.4 Inner products
2.1.5 Eigenvectors and eigenvalues
2.1.6 Adjoints and Hermitian operators
2.1.7 Tensor products
2.1.8 Operator functions
2.1.9 The commutator and anti-commutator
2.1.10 The polar and singular value decompositions
2.2 The postulates of quantum mechanics
2.2.1 State space
2.2.2 Evolution
2.2.3 Quantum measurement
2.2.4 Distinguishing quantum states
2.2.5 Projective measurements
2.2.6 POVM measurements
2.2.7 Phase
2.2.8 Composite systems
2.2.9 Quantum mechanics: a global view
2.3 Application: superdense coding
2.4 The density operator
2.4.1 Ensembles of quantum states
2.4.2 General properties of the density operator
2.4.3 The reduced density operator
2.5 The Schmidt decomposition and purifications
2.6 EPR and the Bell inequality
3 Introduction to computer science
3.1 Models for computation
3.1.1 Turing machines
3.1.2 Circuits
3.2 The analysis of computational problems
3.2.1 How to quantify computational resources
3.2.2 Computational complexity
3.2.3 Decision problems and the complexity classes P and NP
3.2.4 A plethora of complexity classes
3.2.5 Energy and computation
3.3 Perspectives on computer science
Part II Quantum computation
4 Quantum circuits
4.1 Quantum algorithms
4.2 Single qubit operations
……
5 The quantum Fourier transform and its applications
6 Quantum search algorithms
7 Quantum computers: physical realization
Part III Quantum information
8 Quantum noise and quantum operations
9 Distance measures for quantum information
10 Quantum error-correction
11 Entropy and information
12 Quantum information theory
Appendices
Bibliography
Index