量子力学入门——量子力学在量子通信与量子计算中的应用

量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。全书分为五部分：第一部分介绍一些基本的数学工具，如复数、矢量分析、概率论，以及粒子和波的经典描述；第二部分介绍量子力学的基本概念，如波粒二象性、互补性、海森堡不确定性关系、量子干涉和纠缠、不可克隆定理，以及量子力学的基础问题，如延迟选择量子擦除、薛定谔的猫、EPR 悖论和贝尔定理；第三部分介绍量子力学在量子通信安全、量子隐形态、反事实通信中的应用；第四部分介绍量子力学在量子计算中的应用；第五部分介绍薛定谔方程与牛顿动力学的关系及其在势箱内的粒子和氢原子应用。本书可作为本科阶段量子力学或量子信息学课程的教材，也可作为量子力学初学者的自学图书。

M. Suhail Zubairy，教授，巴基斯坦科学院院士、美国物理学会会士和美国光学学会会士，1978年毕业于美国罗切斯特大学，后在Emil Wolf教授（光物理学先驱，美国罗切斯特大学教授）的指导下获得博士学位，2000年加入美国得克萨斯农工大学，目前任该校物理与天文学系特聘教授、Munnerlyn-Heep量子光学讲席教授，获Wills E. Lamb激光科学与量子光学奖、亚历山大?冯?洪堡研究奖、伊斯兰国家组织杰出物理学家奖、Abdus Salam物理学奖、伊朗国际花剌子模奖、巴基斯坦Hilal-e-Imtiaz和Sitara-e-Imtiaz勋章等。
高洵，武汉大学电子信息学院副教授，武汉大学电子信息学院通信与信息系统专业博士，普林斯顿大学电气工程系博士后，长期从事电子信息类基础课程的教学与研究工作，主要研究方向为网络通信，物联网，纳米集成电路低功耗设计

第1章 关于本书 001 1.1 从经典力学到量子力学 002 1.2 本书概要 005 参考书目 010 第一部分 入门知识 第2章 数学背景 012 2.1 复数 012 2.2 三角学 016 2.3 矢量和标量 020 2.4 概率论要点 025 习题 031 参考书目 032 第3章 质点动力学 033 3.1 经典运动学 033 3.2 线性动量 037 3.3 动能与势能 039 3.4 非弹性碰撞和弹性碰撞 040 3.5 角运动 041 3.6 角动量 046 3.7 电子在电场和磁场中的运动 047 习题 051 参考书目 051 第4章 波动理论 052 4.1 波的运动 052 4.2 杨氏双缝实验 059 4.3 衍射 064 4.4 瑞利判据 070 习题 072 参考书目 073 第二部分 量子力学基础 第5章 量子力学基础 075 5.1 能量的量化 075 5.2 波粒二象性 076 5.3 确定性的终结――概率描述 077 5.4 海森堡不确定性关系和玻尔互补原理 078 5.5 相干叠加与量子纠缠 079 习题 081 参考书目 082 第6章 量子力学的诞生――普朗克、爱因斯坦和玻尔 083 6.1 光的简史 083 6.2 炽热物体发出的辐射 086 6.3 爱因斯坦和光电效应 089 6.4 20世纪初的原子史 092 6.5 卢瑟福原子模型 093 6.6 氢谱 095 6.7 原子量子理论：玻尔模型 096 习题 101 参考书目 102 第7章 德布罗意波：电子是波还是粒子 103 7.1 德布罗意波 103 7.2 波粒二象性――波函数法 108 7.3 玻色－爱因斯坦凝聚 112 7.4 海森堡显微镜 114 7.5 康普顿散射 119 习题 124 参考书目 125 第8章 量子干涉：波粒二象性 126 8.1 杨氏电子双缝实验 126 8.2 爱因斯坦－玻尔关于互补性的辩论 132 8.3 延迟选择 135 8.4 量子擦除 136 习题 141 参考书目 141 第9章 最简易的量子器件：偏振器与分束器 142 9.1 光的偏振 142 9.2 单个光子的马吕斯定律――狄拉克左矢－右矢符号 148 9.3 经典分束器的输入－输出关系 154 9.4 单个光子态与分束器 156 9.5 偏振分束器与普克尔盒 157 习题 159 参考书目 160 第10章 量子叠加与纠缠 161 10.1 相干叠加态 161 10.2 量子纠缠和贝尔基 165 10.3 薛定谔的猫悖论 170 10.4 量子隐形传态 172 10.5 纠缠交换 176 习题 179 参考书目 179 第11章 不可克隆定理与量子复制 181 11.1 量子克隆与超光速通信 181 11.2 不可克隆定理 185 11.3 量子复制 186 习题 191 参考书目 191 第12章 爱因斯坦－波多尔斯基－罗森悖论与贝尔定理 192 12.1 隐变量 192 12.2 EPR悖论 193 12.3 玻尔的回复 196 12.4 贝尔不等式 198 12.5 量子力学的预测 201 12.6 实验验证贝尔不等式 203 12.7 贝尔－CHSH不等式 204 习题 209 参考书目 209 第三部分 量子通信 第13章 量子安全通信 211 13.1 二进制数 212 13.2 公钥分发算法RSA 213 13.3 贝内特－布拉萨德84（BB-84）协议 216 13.4 贝内特92（B-92）协议 221 13.5 量子货币 224 习题 225 参考书目 226 第14章 不可见光子的光通信 227 14.1 马赫－曾德尔干涉仪 228 14.2 零作用测量 230 14.3 马赫－曾德尔干涉仪阵列 231 14.4 反事实通信 234 习题 236 参考书目 237 第四部分 量子计算 第15章 量子计算Ⅰ 239 15.1 量子计算简介 239 15.2 量子逻辑门 243 15.3 多伊奇问题 248 15.4 重新审视量子隐形传态 251 15.5 量子密集编码 252 习题 254 参考书目 255 第16章 量子计算Ⅱ 256 16.1 怎样因数分解N 256 16.2 离散量子傅里叶变换 259 16.3 秀尔算法 263 16.4 量子押宝游戏 266 16.5 检索无序数据库 270 习题 273 参考书目 274 第五部分 薛定谔方程 第17章 薛定谔方程 276 17.1 一维薛定谔方程 276 17.2 经典力学和量子力学中的运动学 281 17.3 势箱中的粒子 287 17.4 势垒贯穿 290 17.5 三维薛定谔方程与氢原子 295 习题 299 参考书目 300