量子計(jì)算機(jī)：穿越未來(lái)世界

目錄
第1章漫話： 量子計(jì)算機(jī)來(lái)了1
1.1量子技術(shù)的前世今生1
1.1.1先說(shuō)說(shuō)什么是量子1
1.1.2宏觀世界和微觀世界是那么的不同2
1.2世界上小的“東西”是量子3
1.2.1分子、原子和量子，哪個(gè)？哪個(gè)小3
1.2.2量子計(jì)算機(jī)是什么7
1.2.3量子計(jì)算將在我們有生之年普及11
1.3計(jì)算機(jī)和力學(xué)12
1.3.1量子力學(xué)與現(xiàn)實(shí)生活有什么聯(lián)系12
1.3.2什么是量子力學(xué) 13
1.3.3全新的計(jì)算理論誕生16
1.410分鐘看懂量子比特、量子計(jì)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(jì)算21
1.5量子計(jì)算機(jī)是什么計(jì)算機(jī)24
1.5.1什么是量子計(jì)算機(jī)241.5.2量子計(jì)算機(jī)的前世今生25
1.5.3量子計(jì)算機(jī)進(jìn)入競(jìng)賽27
1.6未來(lái)世界是量子互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代33
1.7現(xiàn)在火的是量子通信35
1.7.1量子通信衛(wèi)星怎么樣給小明發(fā)送密碼35
1.7.2火的顛覆性技術(shù)量子通信在中國(guó)37
1.8通信編碼需要大智慧39
1.8.1解說(shuō)通信編碼39
1.8.2我要說(shuō)的是“悄悄話”40
1.9當(dāng)今所有密碼系統(tǒng)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(shù)”——量子通信能否取代傳統(tǒng)通信46
第2章計(jì)算機(jī)祖孫三代47
2.1計(jì)算機(jī)爺爺——圖靈機(jī)模型47
2.1.1艾倫·圖靈是個(gè)科學(xué)家47
2.1.2圖靈機(jī)模型49
2.1.3計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)50
2.2所有計(jì)算機(jī)的同一祖宗——圖靈機(jī)50
2.3計(jì)算機(jī)爸爸——馮·諾依曼機(jī)53
2.3.1個(gè)“攢”計(jì)算機(jī)的人——馮·諾依曼53
2.3.2經(jīng)典計(jì)算機(jī)的五臟六腑55
2.3.3經(jīng)典計(jì)算機(jī)的工作“門(mén)道”57
2.4計(jì)算機(jī)孫子——量子計(jì)算機(jī)60
2.4.1量子計(jì)算機(jī)的起源60
2.4.2量子計(jì)算機(jī)的研究歷史61
2.4.3量子計(jì)算機(jī)算法理論62
2.5量子計(jì)算機(jī)的“硬件單元”已經(jīng)造出來(lái)了66
2.5.1量子計(jì)算機(jī)的硬件單元67
2.5.2量子計(jì)算機(jī)的硬件邏輯單元是用什么材料做成的71
2.5.3新型量子計(jì)算機(jī)首個(gè)基本元件問(wèn)世72
2.5.4世界上個(gè)完整的量子計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)揭曉73
2.6量子計(jì)算機(jī)里面還得有“軟件算法”74
2.6.1量子計(jì)算機(jī)的算法理論 74
2.6.2為量子計(jì)算機(jī)量身定做的Shor算法75
2.6.3量子并行計(jì)算的隨機(jī)搜索——Grover算法76
2.7量子計(jì)算機(jī)展望77
第3章牛頓力學(xué)的困境及飛躍82
3.1物理大家族82
3.1.1經(jīng)典物理學(xué)的建立發(fā)展過(guò)程82
3.1.2物理學(xué)的危機(jī)83
3.1.3經(jīng)典物理學(xué)的完成和局限85
3.1.4量子論的出現(xiàn)87
3.2家族長(zhǎng)子： 牛頓力學(xué)89
3.2.1蘋(píng)果為什么會(huì)落在牛頓頭上89
3.2.2牛頓是誰(shuí)91
3.2.3牛頓想的也對(duì)也不對(duì)： 適用范圍與局限性93
3.3家族長(zhǎng)孫： 量子力學(xué)97
3.3.1量子力學(xué)漫談97
3.3.2量子力學(xué)是用來(lái)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(shù)到底是數(shù)學(xué)描述還是實(shí)體104
3.3.5搞量子力學(xué)沒(méi)點(diǎn)高數(shù)基礎(chǔ)不行——薛定諤方程106
3.3.6眼見(jiàn)為實(shí)： 量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)證明108
3.3.7牛頓力學(xué)與量子力學(xué)的決戰(zhàn)113
3.4獨(dú)門(mén)絕活： 量子糾纏119
3.4.1給量子糾纏做個(gè)CT119
3.4.2千里之外的心靈感應(yīng)： 隱形傳輸124
3.4.3量子糾纏將遠(yuǎn)程控制你的生活127
3.5川劇變臉： 量子態(tài)套疊128
3.5.1一般人都搞不清楚的量子態(tài)套疊128
3.5.2原來(lái)如此： 量子態(tài)套疊原理129
3.6挑戰(zhàn)量子力學(xué)的帶頭大哥——愛(ài)因斯坦129
3.6.1量子力學(xué)描述世界的語(yǔ)言跟經(jīng)典力學(xué)有根本區(qū)別129
3.6.2EPR實(shí)驗(yàn)131
3.6.3泊松亮斑133
3.6.4量子隱形傳態(tài)是“嗖”的一聲把人傳過(guò)去的瞬間傳輸嗎133
第4章量子信息臉譜137
4.1什么是量子信息137
4.1.1量子信息三兄弟137
4.1.2量子信息學(xué)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(shù)的發(fā)展145
4.3.3小有小的規(guī)矩——量子編碼定理和量子編碼方案147
4.4這個(gè)“比特”和那個(gè)“比特”不一樣149
4.4.1風(fēng)光無(wú)限“大哥大”——經(jīng)典比特149
4.4.2領(lǐng)跑下一代——量子比特150
4.4.3量子比特疊羅漢151
4.4.4謹(jǐn)防“李鬼”！基于量子比特原理才叫量子產(chǎn)品152
第5章未來(lái)世界的大佬——量子計(jì)算155
5.1量子計(jì)算156
5.1.1量子計(jì)算的發(fā)展歷程156
5.1.2量子計(jì)算的基本原理157
5.1.3量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)159
5.1.4光量子計(jì)算機(jī)161
5.2量子計(jì)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(jì)算獨(dú)門(mén)絕技： 量子算法170
5.3.1高等數(shù)學(xué) ： 基于Shor 分解大數(shù)質(zhì)因子量子算法171
5.3.2百度一下： 基于Grover 量子搜索算法172
5.3.3量子智能計(jì)算173
5.4量子計(jì)算機(jī)的細(xì)胞核： 門(mén)電路173
5.4.1華山論劍門(mén)派一： 量子邏輯門(mén)176
5.4.2華山論劍門(mén)派二： 單量子比特門(mén)180
5.4.3華山論劍門(mén)派三： 條件非門(mén)181
5.4.4華山論劍門(mén)派四： 量子芯片183
5.4.5華山論劍門(mén)派五： 量子傳感器184
5.5火的量子計(jì)算機(jī)來(lái)了185
5.5.1眾說(shuō)紛紜的理論及研究185
5.5.2信息化戰(zhàn)爭(zhēng)： 量子計(jì)算的意義不亞于核武器189
5.5.3分久必合： 量子計(jì)算機(jī)的工作原理191
5.5.4合久必分： IT世界高手的競(jìng)爭(zhēng)197
第6章未來(lái)世界的神經(jīng)中樞——量子通信203
6.1未來(lái)世界的神經(jīng)系統(tǒng)203
6.1.1改變世界的新技術(shù)： 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云中漫步——量子隱形傳態(tài)207
6.2.1通信神話： 量子隱形傳態(tài)的原理207
6.2.2原來(lái)是真的： 量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)209
6.3風(fēng)靡全球——量子信道211
6.3.1未來(lái)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(lián)網(wǎng)插上量子的翅膀——量子通信219
6.4.1通向未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)： 量子通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)219
6.4.2未來(lái)世界的互聯(lián)互通：量子通信網(wǎng)絡(luò)中的交換技術(shù)224
6.4.3世界太大了： 量子中繼器236
6.4.4量子通信產(chǎn)業(yè)鏈238
第7章量子世界的“看門(mén)狗”——安全及密碼241
7.1“看門(mén)狗”的祖宗： 經(jīng)典密碼學(xué)與現(xiàn)代密碼學(xué)241
7.1.1古羅馬人的密信： 經(jīng)典密碼學(xué)242
7.1.2德國(guó)人第二次世界大戰(zhàn)時(shí)使用的密碼機(jī)： 現(xiàn)代密碼學(xué)243
7.2量子密碼的鼻祖： 海森伯測(cè)不準(zhǔn)原理248
7.2.1海森伯不確定原理248
7.2.2測(cè)不準(zhǔn)原理所起的作用250
7.3我的地盤(pán)我做主： 量子密碼學(xué)251
7.3.1量子密碼的起源與發(fā)展251
7.3.2量子密碼技術(shù)的原理252
7.4Alice 和Bob的對(duì)話： 量子密鑰分發(fā)257
7.4.1量子密鑰分發(fā)258
7.4.2BB84 量子密鑰分發(fā)協(xié)議及其工作原理259
7.4.3量子保密通信進(jìn)展以及墨子星263
7.4.4我怎么知道有人在偷聽(tīng)： 光子的偏振態(tài)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(shè)271
7.6人人都有的秘密——量子密鑰分發(fā)273
7.6.1量子密鑰分配的遠(yuǎn)程通信273
7.6.2云中漫步安全保障： 量子保密通信系統(tǒng)273
7.7量子安全直接通信275
第8章量子計(jì)算機(jī)的“社會(huì)分工”277
8.1世界是我們的也是你們的： 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)漸漸接近它們的極限277
8.1.1近20年芯片的發(fā)展速度幾乎沒(méi)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(jì)算機(jī)的極限284
8.1.4量子計(jì)算機(jī)： 誤解帶來(lái)的樂(lè)觀與恐慌287
8.2量子計(jì)算機(jī)賦予計(jì)算機(jī)一種新的計(jì)算能力水平292
8.2.1我們?yōu)槭裁葱枰孔佑?jì)算292
8.2.2量子計(jì)算機(jī)要從囚禁原子開(kāi)始297
8.2.3必須“冷酷”的量子計(jì)算機(jī)298
8.2.4量子計(jì)算機(jī)研制面臨的技術(shù)困難304
8.2.5量子計(jì)算機(jī)會(huì)不會(huì)取代今天的計(jì)算機(jī)305
8.2.6量子計(jì)算機(jī)終什么時(shí)候?qū)崿F(xiàn)308
8.2.7如果量子計(jì)算機(jī)被推廣，我們會(huì)失業(yè)嗎309
參考文獻(xiàn)313