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第1章 漫话：量子计算机来了 1

1.1 量子技术的前世今生 1

1.1.1 先说说什么是量子 1

1.1.2 宏观世界和微观世界是那么的不同 2

1.2 世界上最小的“东西”是量子 3

1.2.1 分子、原子和量子，哪个最大？哪个最小 3

1.2.2 量子计算机是什么 7

1.2.3 量子计算将在我们有生之年普及 11

1.3 计算机和力学 12

1.3.1 量子力学与现实生活有什么联系 12

1.3.2 什么是量子力学 13

1.3.3 全新的计算理论诞生 16

1.4 10分钟看懂量子比特、量子计算和量子算法 16

1.4.1 波粒二象性 17

1.4.2 量子纠缠 17

1.4.3 量子叠加 18

1.4.4 量子比特和量子计算 21

1.5 量子计算机是什么计算机 24

1.5.1 什么是量子计算机 24

1.5.2 量子计算机的前世今生 25

1.5.3 量子计算机进入世界级竞赛 27

1.6 未来世界是量子互联网的时代 33

1.7 现在最火的是量子通信 35

1.7.1 量子通信卫星怎么样给小明发送密码 35

1.7.2 最火的颠覆性技术量子通信在中国 37

1.8 通信编码需要大智慧 39

1.8.1 解说通信编码 39

1.8.2 我要说的是“悄悄话” 40

1.9 当今所有密码系统都失效了 44

1.9.1 量子加密的“不破金身” 44

1.9.2 走近“颠覆性技术”——量子通信能否取代传统通信 46

第2章 计算机祖孙三代 47

2.1 计算机爷爷——图灵机模型 47

2.1.1 艾伦·图灵是个科学家 47

2.1.2 图灵机模型 49

2.1.3 计算机界的诺贝尔奖 50

2.2 所有计算机的同一祖宗——图灵机 50

2.3 计算机爸爸——冯·诺依曼机 53

2.3.1 第一个“攒”计算机的人——冯·诺依曼 53

2.3.2 经典计算机的五脏六腑 55

2.3.3 经典计算机的工作“门道” 57

2.4 计算机孙子——量子计算机 60

2.4.1 量子计算机的起源 60

2.4.2 量子计算机的研究历史 61

2.4.3 量子计算机算法理论 62

2.5 量子计算机的“硬件单元”已经造出来了 66

2.5.1 量子计算机的硬件单元 67

2.5.2 量子计算机的硬件逻辑单元是用什么材料做成的 71

2.5.3 新型量子计算机首个基本元件问世 72

2.5.4 世界上第一个完整的量子计算机芯片设计揭晓 73

2.6 量子计算机里面还得有“软件算法” 74

2.6.1 量子计算机的算法理论 74

2.6.2 为量子计算机量身定做的Shor算法 75

2.6.3 量子并行计算的随机搜索——Grover算法 76

2.7 量子计算机展望 77

第3章 牛顿力学的困境及飞跃 82

3.1 物理大家族 82

3.1.1 经典物理学的建立发展过程 82

3.1.2 物理学的危机 83

3.1.3 经典物理学的完成和局限 85

3.1.4 量子论的出现 87

3.2 家族长子：牛顿力学 89

3.2.1 苹果为什么会落在牛顿头上 89

3.2.2 牛顿是谁 91

3.2.3 牛顿想的也对也不对：适用范围与局限性 93

3.3 家族长孙：量子力学 97

3.3.1 量子力学漫谈 97

3.3.2 量子力学是用来解释微观粒子的物理分支 100

3.3.3 “薛定谔猫”的困境 102

3.3.4 量子世界中，波函数到底是数学描述还是实体 104

3.3.5 搞量子力学没点高数基础不行——薛定谔方程 106

3.3.6 眼见为实：量子力学的实验证明 108

3.3.7 牛顿力学与量子力学的决战 113

3.4 独门绝活：量子纠缠 119

3.4.1 给量子纠缠做个CT 119

3.4.2 千里之外的心灵感应：隐形传输 124

3.4.3 量子纠缠将远程控制你的生活 127

3.5 川剧变脸：量子态套叠 128

3.5.1 一般人都搞不清楚的量子态套叠 128

3.5.2 原来如此：量子态套叠原理 129

3.6 挑战量子力学的带头大哥——爱因斯坦 129

3.6.1 量子力学描述世界的语言跟经典力学有根本区别 129

3.6.2 EPR实验 131

3.6.3 泊松亮斑 133

3.6.4 量子隐形传态是“嗖”的一声把人传过去的瞬间传输吗 133

第4章 量子信息脸谱 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 量子信息学 139

4.2 量子比特不是比特币 140

4.2.1 比特币 140

4.2.2 量子比特 141

4.3 量子信息的身世 143

4.3.1 量子信息的源头 143

4.3.2 量子信息技术的发展 145

4.3.3 小有小的规矩——量子编码定理和量子编码方案 147

4.4 这个“比特”和那个“比特”不一样 149

4.4.1 风光无限“大哥大”——经典比特 149

4.4.2 领跑下一代——量子比特 150

4.4.3 量子比特叠罗汉 151

4.4.4 谨防“李鬼”！基于量子比特原理才叫量子产品 152

第5章 未来世界的大佬——量子计算 155

5.1 量子计算 156

5.1.1 量子计算的发展历程 156

5.1.2 量子计算的基本原理 157

5.1.3 量子计算机的实现 159

5.1.4 光量子计算机 161

5.2 量子计算的黑白两道 162

5.2.1 白道：量子叠加性 162

5.2.2 黑道：量子相干性 168

5.3 量子计算独门绝技：量子算法 170

5.3.1 高等数学＋：基于Shor分解大数质因子量子算法 171

5.3.2 百度一下：基于Grover量子搜索算法 172

5.3.3 量子智能计算 173

5.4 量子计算机的细胞核：门电路 173

5.4.1 华山论剑门派一：量子逻辑门 176

5.4.2 华山论剑门派二：单量子比特门 180

5.4.3 华山论剑门派三：条件非门 181

5.4.4 华山论剑门派四：量子芯片 183

5.4.5 华山论剑门派五：量子传感器 184

5.5 最火的量子计算机来了 185

5.5.1 众说纷纭的理论及研究 185

5.5.2 信息化战争：量子计算的意义不亚于核武器 189

5.5.3 分久必合：量子计算机的工作原理 191

5.5.4 合久必分：IT世界顶级高手的竞争 197

第6章 未来世界的神经中枢——量子通信 203

6.1 未来世界的神经系统 203

6.1.1 改变世界的新技术：量子通信 203

6.1.2 众人拾柴火焰高：量子通信的类型 206

6.2 云中漫步——量子隐形传态 207

6.2.1 通信神话：量子隐形传态的原理 207

6.2.2 原来是真的：量子隐形传态实验 209

6.3 风靡全球——量子信道 211

6.3.1 未来世界的高速公路：量子信道 211

6.3.2 能比光还快吗：光纤量子信道 214

6.3.3 太空通信：自由空间量子信道 217

6.4 给互联网插上量子的翅膀——量子通信 219

6.4.1 通向未来的网络：量子通信网络的体系结构 219

6.4.2 未来世界的互联互通：量子通信网络中的交换技术 224

6.4.3 世界太大了：量子中继器 236

6.4.4 量子通信产业链 238

第7章 量子世界的“看门狗”——安全及密码 241

7.1 “看门狗”的祖宗：经典密码学与现代密码学 241

7.1.1 古罗马人的密信：经典密码学 242

7.1.2 德国人第二次世界大战时使用的密码机：现代密码学 243

7.2 量子密码的鼻祖：海森伯测不准原理 248

7.2.1 海森伯不确定原理 248

7.2.2 测不准原理所起的作用 250

7.3 我的地盘我做主：量子密码学 251

7.3.1 量子密码的起源与发展 251

7.3.2 量子密码技术的原理 252

7.4 Alice和Bob的对话：量子密钥分发 257

7.4.1 量子密钥分发 258

7.4.2 BB84量子密钥分发协议及其工作原理 259

7.4.3 量子保密通信进展以及墨子星 263

7.4.4 我怎么知道有人在偷听：光子的偏振态 266

7.5 量子密码的宝典——工作原理 269

7.5.1 宝典一：量子密码理论模式 269

7.5.2 宝典二：量子密码理论分析 271

7.5.3 宝典三：量子密码假设 271

7.6 人人都有的秘密——量子密钥分发 273

7.6.1 量子密钥分配的远程通信 273

7.6.2 云中漫步安全保障：量子保密通信系统 273

7.7 量子安全直接通信 275

第8章 量子计算机的“社会分工” 277

8.1 世界是我们的也是你们的：传统计算机渐渐接近它们的极限 277

8.1.1 近20年芯片的发展速度几乎没有提升 277

8.1.2 登纳德定律中一直在“偷懒”的芯片 280

8.1.3 多核的陷阱：从程序的角度探讨计算机的极限 284

8.1.4 量子计算机：误解带来的乐观与恐慌 287

8.2 量子计算机赋予计算机一种新的计算能力水平 292

8.2.1 我们为什么需要量子计算 292

8.2.2 量子计算机要从囚禁原子开始 297

8.2.3 必须“冷酷”的量子计算机 298

8.2.4 量子计算机研制面临的技术困难 304

8.2.5 量子计算机会不会取代今天的计算机 305

8.2.6 量子计算机最终什么时候实现 308

8.2.7 如果量子计算机被推广，我们会失业吗 309

参考文献 313