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第1章 绪论1

1.1 量子计算1

1.1.1 量子计算的兴起1

1.1.2 量子计算的模式3

1.1.3 量子计算机的物理实现5

1.1.4 量子软件研究14

1.2 量子密码学15

1.2.1 量子密码术的重要性15

1.2.2 量子密码术的发展简况16

1.2.3 量子密码的攻防安全17

1.3 量子通信18

1.3.1 量子隐形传态19

1.3.2 量子纠缠态19

1.3.3 量子存储器21

1.3.4 自由空间量子通信22

1.3.5 量子网络23

1.3.6 连续变量量子信息学24

1.4 量子模拟25

1.5 量子度量学27

1.5.1 原子钟28

1.5.2 量子高精密相位测量28

1.5.3 量子成像29

1.6 量子信息物理基础30

第2章 量子信息学的数学与物理基础34

2.1 量子信息学中的数学34

2.1.1 向量34

2.1.2 内积36

2.1.3 线性算符与矩阵37

2.1.4 外积38

2.1.5 特征向量与特征值39

2.1.6 伴随矩阵与Hermite算符39

2.1.7 张量积41

2.1.8 算符函数43

2.1.9 对易式与反对易式44

2.1.10 极式分解和奇异值分解44

2.2 量子信息学的物理基础46

2.2.1 量子力学的基本概念46

2.2.2 量子力学的基本假设57

2.3 密度算符63

2.3.1 密度算符（密度算子）63

2.3.2 基于密度算符的量子力学基本假设67

2.3.3 Schmidt分解定理68

2.4 量子纠缠69

2.4.1 量子比特69

2.4.2 纠缠态72

2.4.3 纠缠的度量74

2.4.4 纠缠的判定76

第3章 量子信息论基础78

3.1 熵与量子信息的测度78

3.1.1 经典香农熵78

3.1.2 量子冯·诺依曼熵81

3.1.3 冯·诺依曼熵的强次可加性84

3.2 最大信息的获取85

3.2.1 Holevo限85

3.2.2 Holevo限的应用87

3.3 量子无噪声编码定理87

3.3.1 香农无噪声信道编码定理88

3.3.2 量子舒马赫无噪声信道编码定理90

3.4 带噪声量子信道上的信息91

3.4.1 带噪声经典信道上的信息91

3.4.2 带噪声量子信道上的经典信息93

3.4.3 带噪声量子信道上的量子信息94

第4章 量子密码术98

4.1 密码学与经典加密98

4.1.1 密码学的历史98

4.1.2 密码学中的基本概念99

4.1.3 经典密码存在的问题100

4.2 量子密码的概念和理论101

4.2.1 量子密码原理101

4.2.2 量子密钥分配102

4.3 量子密钥分配协议103

4.3.1 BB84协议103

4.3.2 B92协议106

4.3.3 6态协议107

4.3.4 Ekert协议108

4.4 量子密钥分配协议仿真109

4.4.1 仿真算法的设计109

4.4.2 BB84协议仿真及结果分析110

4.4.3 6态协议仿真及结果分析115

4.4.4 B92协议仿真及结果分析117

4.4.5 几种量子加密算法的比较分析118

4.5 量子密码安全性分析121

4.5.1 不可克隆原理保证下安全性证明121

4.5.2 Ekert协议安全性证明122

4.6 量子安全直接通信123

4.6.1 乒乓量子安全直接通信协议124

4.6.2 Two-Step量子安全直接通信协议125

4.6.3 量子一次一密安全直接通信协议127

4.6.4 基于量子CSS编码的安全直接通信协议128

第5章 量子通信130

5.1 量子纠缠态的性质、产生和测量130

5.1.1 量子纠缠态的基本性质130

5.1.2 光子纠缠对的产生131

5.1.3 利用光子晶体光纤产生纠缠光子对133

5.1.4 光子纠缠对的控制与测量135

5.1.5 纠缠的定量描述135

5.2 双光子纠缠态在量子通信中的应用137

5.2.1 量子通信方案137

5.2.2 量子通信实验140

5.3 基于单光子的量子密码术142

5.3.1 BB84协议143

5.3.2 量子误码率143

5.3.3 量子编码145

5.3.4 单光子密钥分配实验147

5.4 连续变量纠缠150

5.4.1 双模压缩态150

5.4.2 二体纠缠152

5.5 利用连续变量的量子通信156

5.5.1 量子远程传态156

5.5.2 量子密集编码161

5.5.3 量子密码术163

第6章 量子计算基础168

6.1 从经典信息到量子信息168

6.2 量子比特169

6.2.1 单量子比特169

6.2.2 双量子比特170

6.2.3 多量子比特171

6.3 量子逻辑门171

6.3.1 单比特量子门171

6.3.2 多比特量子门173

6.3.3 量子门的通用性174

6.4 量子计算的并行性175

6.5 Deutsch量子算法177

6.6 Shor量子算法178

6.6.1 因子分解问题求解的基本思想178

6.6.2 Shor算法的实现步骤179

6.7 Grover量子算法180

6.7.1 基于黑箱的搜索思想180

6.7.2 Grover算法搜索步骤181

6.7.3 Grover算法搜索过程几何描述182

6.7.4 算法性能分析183

6.8 量子计算机的实现184

6.8.1 实现量子计算机的条件184

6.8.2 几个量子计算机实验方案185

6.8.3 量子纠错的基本原理190

第7章 量子模拟197

7.1 量子模拟器研究现状198

7.1.1 量子模拟器设计目的和功能需求198

7.1.2 量子模拟器的特性需求199

7.1.3 量子计算模拟器现状199

7.2 量子模拟系统表示法200

7.2.1 BDD量子模拟器200

7.2.2 量子寄存器状态203

7.2.3 量子门203

7.2.4 运算203

7.3 量子计算语言204

7.3.1 语言特点204

7.3.2 量子寄存器205

7.3.3 量子表达式206

7.3.4 量子语句206

7.4 量子计算的并行模拟208

7.4.1 并行计算技术208

7.4.2 量子计算并行模拟技术209

7.5 量子模拟的几个实例212

7.5.1 量子模拟的基本理论212

7.5.2 可用于量子模拟的系统215

7.5.3 量子模拟的发展217

第8章 量子度量学219

8.1 量子度量学的形成过程220

8.2 光场压缩态及其在相位高精密测量中的应用222

8.2.1 光场压缩态的概念222

8.2.2 压缩态在亚散粒噪声光学测量及量子测量方面的应用223

8.3 量子纠缠态及其在量子度量中的应用226

8.4 量子成像232

8.4.1 量子成像的原理和优势233

8.4.2 量子成像的研究现状234

8.4.3 关联光学的基本原理236

8.4.4 量子成像的关键技术251

8.5 量子雷达252

8.5.1 量子雷达的原理和优势252

8.5.2 量子雷达的研究现状254

8.5.3 量子雷达的关键技术256

参考文献258