量子信息物理原理

量子信息物理原理PrinciplesofQuantumInformationPhysics张永德著科学出版社2006年1月出版定价：59.00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1.1.1量子力学的第三公设——测量公设1.1.2测量理论的三个阶段1.1.3坍缩阶段的四个特征1.1.4量子测量分类§1.2量子测量及相关问题II——量子光学一些器件及实验分析1.2.1量子测量效应I——半透片、符合测量、PBS、后选择1.2.2斜置偏振片的变换1.2.3斜置半波片的作用1.2.4BBO晶体与参量下转换——极化纠缠光子对的产生§1.3量子测量及相关问题III——广义测量与POVM1.3.1广义测量1.3.2局域测量——POVM1.3.3POVM举例1.3.4Neumark定理§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1.4.1量子测量的纠缠退相干模型——vonNeumann正交投影测量模型1.4.2vonNeumann正交投影模型的典型例子——Stern-Gerlach装置对电子自旋的测量§1.5量子测量及相关问题V——量子非破坏测量简介1.5.1标准量子极限1.5.2量子非破坏测量的定义1.5.3QND所必须满足的充要条件1.5.4QND的局限性§1.6量子测量及相关问题小结1.6.1量子测量中时间坍缩和空间非定域性的问题1.6.2量子测量理论中存在的问题练习题第一章参考文献第二章量子双态体系§2.1双态体系的定态描述2.1.1双态体系的纯态与混态2.1.2极化矢量、状态变换与2×2矩阵基2.1.3Bloch球描述2.1.4可观察量与测量§2.2双态体系的幺正演化2.2.1单一双态体系动力学2.2.2一般Jaynes-Cummings模型求解理论§2.3双态体系实验制备简介2.3.1NMR方案2.3.2腔QED2.3.3光学方法2.3.4离子阱2.3.5量子点2.3.6固体方法：硅基NMR、超导Josephson结§2.4双态体系混态作为系综解释的含糊性2.4.1系综解释的含糊性2.4.2例算练习题第二章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3.1.1纯态与混态、可分离态与纠缠态3.1.2两体纯态的Schmidt分解§3.2两体系统的量子纠缠，定义与分析3.2.1两体系统量子纠缠与纠缠度3.2.2纠缠度的几种定义3.2.3量子纠缠的物理本质和若干误解§3.3混态及其描述3.3.1再谈混态概念3.3.2混态的起源——纠缠与测量3.3.3密度矩阵描述普遍性的数学根据——Gleason定理3.3.4约化密度矩阵§3.4混态系综解释的含糊性3.4.1密度矩阵集合的凸性3.4.2三谈混态概念§3.5两体量子系统纠缠度计算3.5.1两体相对熵计算的定理1及应用3.5.2两体相对熵计算的定理2及应用3.5.3两体连续变量量子态纠缠度计算方法练习题第三章参考文献第四章量子纠缠分析与判断§4.1量子纠缠结构一般分析4.1.1引言4.1.2量子纠缠与可分离性4.1.3多体纯态纠缠结构分析§4.2量子纠缠判断4.2.1两体态可分离性的部分转置正定判据——Peres判据4.2.2Peres判据讨论4.2.3两体协方差关联张量Cij（A,B）及其判别法4.2.4两体量子态可分离性的W-Z充要判据4.2.5W-Z判据及Cjk（A,B）=0判据的应用4.2.6Peres判据与Free和Bound两类纠缠态§4.3存储器量子态纠缠分析4.3.1复合双态系统的纯态4.3.2纠缠指数4.3.3N-qubit系统量子态的纠缠分类定理练习题第四章参考文献第五章量子纠缠与Bell型空间非定域性§5.1Bell-CHSH-GHZ-Hardy-Cabello路线综述5.1.1EPR佯谬引发的Bell不等式路线5.1.2CHSH不等式及其最大破坏5.1.3GHZ定理及其实验检验5.1.4Hardy定理5.1.5Cabello定理5.1.6连续变量系统的Bell不等式§5.2量子纠缠与Bell型空间非定域性关联分析5.2.1“定域实在论”与量子纠缠5.2.2QT的空间非定域性§5.3对Bell-CHSH-GHZ-Hardy-Cabello路线评论5.3.1Bell空间非定域性本质评论之一5.3.2Bell型理论的局限性评论之二5.3.3Bell型理论的发展评论之三练习题第五章参考文献第六章开放系统演化与退相干§6.1混态演化之一——Kraus定理6.1.1密度矩阵的映射——超算符方法6.1.2超算符的性质，Kraus定理§6.2混态演化之二——主方程方法6.2.1密度矩阵的演化——主方程的导出6.2.2主方程的物理分析§6.3主方程的求解6.3.1主方程求解方法（I）——概述6.3.2主方程求解方法（II）——超算符Lie代数方法6.3.3例算（I）：简单主方程的求解6.3.4例算（II）：主方程的超算符求解§6.4量子退相干问题初步分析6.4.1退相干的物理起源6.4.2单qubit信息衰减模式分析——退相干基本模式6.4.3系统与环境耦合造成的退相干6.4.4测量造成退相干（I）——Kraus退相干模型6.4.5测量造成退相干（II）——近独立全同粒子测量退相干模型6.4.6一个例算练习题第六章参考文献第七章混态纯化与相干性的恢复§7.1量子态纯化7.1.1采用局域POVM方法来纯化7.1.2采用局域CNOT操作来纯化7.1.3用线性光学器件对光子极化纠缠混态的纯化§7.2量子擦洗与相干性恢复技术7.2.1不确定性原理和波包交叠——单粒子态的量子擦洗——相干性恢复技术（I）7.2.2正交投影——单粒子不同组分态的量子擦洗——相干性恢复技术（II）7.2.3GHJW定理——混态的纠缠纯化与广义量子擦洗——相干性恢复技术（III）7.2.4Swapping——遥控相干性恢复技术（IV）7.2.5全同性原理应用——全同多粒子态的相干性恢复技术（V）练习题第七章参考文献第八章量子态的非克隆定理与量子Zeno效应§8.1量子态的克隆问题8.1.1量子态非克隆定理8.1.2量子态不可克隆和生物大分子可以克隆的对比8.1.3概率克隆、近似克隆与最可信克隆§8.2量子态的不可删除定理8.2.1量子态的“不可删除定理”8.2.2纠缠不可克隆定理§8.3量子Zeno效应和有关问题8.3.1量子Zeno佯谬成了量子Zeno效应8.3.2量子Zeno效应存在性的理论论证8.3.3量子Zeno效应的本质8.3.4dp(t)/dt|t=0=0与负指数衰变规律并不矛盾8.3.5量子Zeno效应的某些应用8.3.6量子反Zeno效应又成了“佯谬”?练习题第八章参考文献第九章量子态的超空间转移§9.1第一代量子态超空间转移——QuantumTeleportation9.1.1实验前状况9.1.2实验任务9.1.3原则性操作9.1.4具体操作9.1.5几点分析§9.2第二代量子Teleportation——量子Swapping9.2.1理论方案9.2.2实验进行§9.3Teleportation实验分析改进与自由飞行qubit9.3.1对首次实验的评论9.3.2Innsbruck小组的回复9.3.3后来Innsbruck小组的自由传播的teleportedqubits§9.4第三代量子Teleportation——多目标共享量子Teleportation9.4.1理论方案9.4.2实验进行§9.5量子态超空间转移的普遍理论方案9.5.1超算符观点处理量子态Teleportation9.5.2S能级任意态Teleportation的理论方案9.5.3连续态Teleportation的理论方案9.5.4混态的Teleportation§9.6量子态超空间转移的奇异性质练习题第九章参考文献第十章量子门与简单量子网络§10.1量子逻辑门的构成与运行10.1.1量子态的存储——量子位与量子存储器10.1.2量子态的操控§10.2量子门简单组合及量子网络分解10.2.1量子门的简单组合10.2.2量子网络的Deutsch分解定理10.2.3分解举例§10.3量子计算机及量子网络的DiVincenzo标准10.3.1关于量子计算机的五条DiVincenzo标准10.3.2关于量子计算机的量子网络功能附加的两条必要标准练习题第十章参考文献第十一章量子算法§11.1概论——量子算法的基本特征11.1.1经典的计算复杂性理论11.1.2量子算法的基本特征§11.2Deutsch量子算法11.2.1Deutsch问题11.2.2Deutsch量子算法步骤§11.3量子分立傅里叶变换DFTq11.3.1分立傅里叶变换11.3.2算法的实施§11.4量子Shor算法11.4.1任务11.4.2Shor量子算法步骤简单概括11.4.3上面步骤中，最关键的是第一步，即求周期r11.4.4量子Shor算法的两点注记§11.5量子Grover算法——“量子摇晃”或量子搜寻算法11.5.1Grover算法——遍历搜寻问题的量子算法11.5.2对Grover算法具体操作的说明11.5.3式（11.24）的证明11.5.4Grover算法的物理实现练习题第十一章参考文献第十二章量子误差纠正与保真度计算§12.1量子误差与纠正12.1.1量子误差的来源和类型12.1.2简单的经典误差纠正码12.1.3简单的量子误差纠正码——自旋翻转型12.1.4简单的量子误差纠正码——相位翻转型12.1.5量子误差纠正码——一般情况§12.2Bures保真度的计算12.2.1Bures保真度定义12.2.2多模高斯混态Bures保真度的一般公式12.2.3计算公式（12.30）的简单证明§12.3Bures保真度计算举例第十二章参考文献第十三章量子信息论§13.1经典Shannon理论简介13.1.1Shannon熵和数据压缩13.1.2Shannon无噪声编码定理13.1.3互信息13.1.4H（X,Y）,H（X|Y）,I（X;Y）性质总结13.1.5Shannon噪声信道编码定理§13.2量子信息中的vonNeumann熵13.2.1vonNeumann熵定义13.2.2vonNeumann熵的数学性质及讨论13.2.3高斯型多模混态的vonNeumann熵计算§13.3量子无噪声编码定理与量子数据压缩13.3.1无噪声编码定理的量子模拟13.3.2量子数据压缩举例13.3.3Schumacher编码——Schumacher无噪声量子编码定理13.3.4稠密编码（densecoding）概念§13.4混态量子信息压缩的初步讨论13.4.1混态编码与压缩问题13.4.2Holevo信息——Holevo限X§13.5可获取的最大信息13.5.1可获取信息定义与Holevo限13.5.2可识别性的改进——Peres-Wootters方法13.5.3单用户量子信道的经典信息容量§13.6量子信道的经典信息容量——多个发送者情况13.6.1简介与准备13.6.2复合测量13.6.3随机编码13.6.4逆定理证明13.6.5应用讨论练习题第十三章参考文献附录A量子变换理论简介附录B与量子光场耦合的双态体系一般动力学——Raman散射腔QED和广义Jaynes-Cummings模型的普遍理论附录C一份《量子信息物理原理》参考试卷习题解答索引