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　　超传导是指「导体的电阻为零」的现象，虽然超导体得在低温才可作用而使发展受限，但其高能量密度、省能源、低发热、高灵敏度等特性仍是其他材料无法比拟的。在环保需求下，将来超导体绝对是在电力、医疗、运输、资讯等领域不可或缺的材料。预计在二○二○年时，全球应用超传导的市场约为两千亿美金，其中，电子方面约佔五成余，而运输、医疗方面则约佔其余的四成余。因此，若能了解这个即将成为未来趋势的材料，也就代表先掌握了商机与尖端资讯！

本书特色

　　本书第一章先由物理、化学角度，说明超传导作用的基础理论，以及超传导的特性与形成条件，第二章则为你整理出超导体的材料与超导体线材、薄膜与磁石等的制造技术。最后一章则介绍超导体的应用领域，例如：于磁浮列车、发电机、变压器、精密磁气测定、超高速超传导计算机、超传导泸波器……等的运用，及其未来可能的发展，循序渐进地带领你认识超导体的奥妙。

　　◆以图解方式，深入浅出介绍超导体的技术、材料与应用。
　　◆每个单元皆做重点提示，化繁为简，帮助你掌握内文要意。
　　◆书末收录专有名词索引表，让你随时都能快速查询所需资讯。

作者简介

下山淳一

　　一九六二年生于日本岐阜县。一九八六年毕业于日本东京大学工业化学系，一九八八年同大学工学系化学能源研究所毕业，随后并取得工学博士。一九八八年进入旭硝子株式会社，服务于中央研究所任研究员。一九三三年担任东京大学工学部助理（应用化学系），现为东京大学工学部助理教授。

审定者简介

陈政维

　　台湾大学物理系教授。美国加州大学圣地牙哥分校物理博士。主要研究领域为超导体与磁性，以及两者之间的交互作用关系。关于奈米尺度的超导体材料探讨，也是目前的研究重点。

译者简介

王政友

　　一九四四年生，台北工专（现改制为台北科技大学）电机科毕业。一九六五年进入台湾电力公司担任仪控专业工程师。一九七三年于美国匹兹堡接受发电机组之计算机控制培训，一九八○年于日本EPDCI接受水力发电厂之遥测遥控培训，一九八三年完成自制遥测遥控系统WL-8300。着有《IC之应用丛书 1-7》（无线电界），译有《图解光触媒》、《图解半导体》、《图解有机EL》（以上由世茂出版）等。

好的，这是一本关于《图解量子纠缠：从基本概念到前沿应用》的图书简介： --- 图解量子纠缠：从基本概念到前沿应用 导读：拨开迷雾，直抵量子世界的“幽灵般的超距作用” 在20世纪初，当量子力学的两大支柱——矩阵力学和波动力学——逐渐成型时，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森（EPR）通过一个著名的思想实验，对量子力学的完备性提出了深刻的质疑。他们试图挑战的，正是量子力学中最令人费解，却又最具有颠覆性的现象：量子纠缠（Quantum Entanglement）。 《图解量子纠缠：从基本概念到前沿应用》并非一本晦涩的理论物理教科书，而是一部旨在系统化、可视化地阐释这一核心概念的科普与工程指南。本书致力于将深奥的物理学原理转化为直观易懂的图示和实例，带领读者——无论是物理学爱好者、计算机科学专业人士，还是对未来科技充满好奇的普通读者——领略量子信息科学中最引人入胜的篇章。 第一部分：纠缠的诞生——概念的基石与历史的脉络 本部分是理解量子纠缠的“入门指南”。我们不直接跳入复杂的数学公式，而是从最基本的量子力学概念出发，为构建纠缠的殿堂打下坚实的基础。 第一章：量子态与叠加态的直观理解 我们首先需要抛弃日常经验中的经典直觉。本章通过详尽的图解，解释了量子比特（Qubit）与经典比特的区别。我们运用“薛定谔的猫”的比喻（并对其进行严格的物理修正），清晰展示叠加态的含义——一个系统可以同时处于多种可能状态的叠加。重点在于二维矢量空间和布洛赫球（Bloch Sphere）的可视化表示，帮助读者直观地掌握如何用几何图像来描述微观粒子的状态。 第二章：贝尔不等式——检验“定域实在论”的试金石 量子纠缠的真正威力，在于它挑战了爱因斯坦坚持的“定域实在论”——即信息传播速度不能超过光速，且物体的属性在测量之前已经确定。本章将详细剖析贝尔（Bell）最初的设想，并逐步推导出贝尔不等式（Bell Inequalities）。 通过模拟不同测量角度下的相关性分析，读者将清晰地看到，如果世界是“定域实在”的，那么实验结果的关联度将永远无法超过某一个极限值。而量子力学的预测，却可以明确地突破这个极限。这一章是理解“非定域性”的关键所在。 第三章：纠缠的生成与度量：从“纠缠态”到“纯纠缠” 什么是真正的纠缠态？本书将引入几个最核心的、可实例化的纠缠态模型。重点介绍贝尔态（Bell States），即 $frac{1}{sqrt{2}}(|00 angle + |11 angle)$ 和 $frac{1}{sqrt{2}}(|01 angle - |10 angle)$ 这样的最大纠缠态。我们通过对比“分离态”和“纠缠态”的张量积表示法，形象化地展示了为什么一旦测量其中一个粒子，另一个粒子的状态会瞬间确定，无论它们相隔多远。 此外，本章还会介绍如何量化纠缠的程度，例如使用冯·诺依曼熵（Von Neumann Entropy）和纠缠纯度，为后续的工程应用做铺垫。 第二部分：纠缠的技艺——信息传递与计算的革新 量子纠缠并非仅仅是哲学上的奇观，它更是驱动下一代信息技术的核心资源。本部分将聚焦于纠缠态在实际信息处理中的应用。 第四章：量子隐形传态（Quantum Teleportation）：信息的远程“搬运工” 隐形传态常被误解为“物质的瞬间移动”，但本书将澄清其真正的含义：量子态的远程传输。本章将以详尽的流程图和分步解析，展示如何利用一对预先共享的纠缠粒子，结合经典的通信渠道，实现一个未知量子态从A点到B点的精确重构。我们将深入探讨其中涉及到的：贝尔态测量（Bell State Measurement, BSM）的原理和必要性。 第五章：量子密钥分发（QKD）：基于纠缠的绝对安全通信 在信息安全领域，纠缠提供了一种理论上不可破解的加密手段。本章重点介绍基于纠缠的量子密钥分发协议，特别是Ekert91 协议。我们将展示纠缠如何作为一种“安全哨兵”：任何窃听行为都会不可避免地破坏纠缠的关联性，从而立即暴露窃听者的存在。这与依赖数学复杂性的经典加密方法有着本质的区别。 第六章：量子计算的核心：纠缠与门操作 量子计算机的强大算力，根植于其对多粒子系统进行复杂纠缠操作的能力。本章阐述了如何利用纠缠门，特别是受控非门（CNOT），在多个量子比特之间建立和操控复杂的纠缠结构。我们将以一个简化的三比特量子算法实例，直观展示如何通过连续的纠缠操作来探索巨大的计算空间，从而实现超越经典极限的计算能力。 第三部分：纠缠的前沿与挑战——从实验到未来 本部分将目光投向当前世界范围内，研究人员正在攻克的难题和正在探索的未来方向。 第七章：纠缠的实验实现：光子、离子阱与超导电路 如何真正“制造”和“保持”纠缠？本章将对比目前主流的物理平台： 1. 光子系统： 探讨自发参量下转换（SPDC）等技术如何产生高纯度的纠缠光子对，以及光纤传输的挑战。 2. 囚禁离子系统： 解释激光冷却和电磁场如何精确控制单个离子的量子态，并实现离子间的纠缠操作。 3. 超导电路： 介绍基于约瑟夫森结的量子比特（如Transmon），以及微波技术如何用于操控它们的纠缠关系。 第八章：多体纠缠与拓扑保护：迈向容错量子计算 随着量子比特数量的增加，更复杂的多体纠缠结构成为可能，例如GHZ态和簇态。本章将深入探讨这些高维纠缠态在实现更强大的并行计算中的潜力。同时，我们也将介绍拓扑量子计算的概念，即如何利用物理系统的拓扑性质来“保护”纠缠，使其对环境噪声产生天然的免疫力，这是实现大规模、容错量子计算的关键路径。 第九章：纠缠的边界探索：引力与时空的新视角 在本书的收尾，我们将讨论纠缠在基础物理学中的最新应用。理论物理学家正在探索纠缠与时空几何之间的深层联系，即ER=EPR猜想——纠缠（EPR）是否等同于虫洞（ER）？本章将以通俗的语言介绍这一大胆的猜想，揭示量子纠缠可能不仅仅是信息论的工具，更是构建我们宇宙时空结构的基石。 --- 本书特色： 全彩高清图解： 超过300幅原创插图，将抽象概念具象化。 历史脉络清晰： 梳理了从EPR到最新的实验验证的全过程。 数学简化： 核心概念不回避数学，但以物理直觉为先导。 《图解量子纠缠》旨在为你提供一把理解现代物理学最前沿工具的钥匙，让你能够真正领略到量子世界中那种“看不见却又真实存在”的深刻连接。

前言

第一章　基础篇
1. 什么是超传导？（电阻为零！）
2. 发现超传导的第一步
3. 超传导的发现
4. 超传导状态有其限界存在
5. 探索具有超传导现象的元素
6. 制作超传导物质之文化始源
7. 种类逐渐增加的超导体
8. 令人跃跃欲试的超传导
9. 高温超导体的登场
10. 高温超传导热
11. 高温超导体的独特构造
12. 100K级超导体之巨大矿脉的切口
13. 逐渐被发现的高温超导体
14. 强制制造出高温超导体
15. 超导体临界温度向上提升的历史
16. 高温超传导热里侧的发现
17. 何以具有超传导作用？（1）（希望了解不可思议的超传导）
18. 何以具有超传导作用？（2）（金属中自由电子的活动）
19. 何以具有超传导作用？（3）（无法仅以电子作出说明）
20. 何以具有超传导作用？（4）（电子间有引力作用）
21. 何以具有超传导作用？（5）（成对电子的集团运动）
22. 何以具有超传导作用？（6）（电阻便因此而为零）
23. 什么情况下超传导会被破坏？
24. 若将磁石移近超导体时将发生何种现象？
25. 何以磁场不能进入超传导体中？
26. 超导体是否始终厌恶磁场？
27. 强制将磁石移近超导体时将产生何种现象
28. 能够承受强磁场的第II种超导体
29. 什么是量子化磁束？
30. 超导体截止至实用化之间的长年岁月
31. 将量子化磁束予以束缚！
32. 希望能够在超导体中流通大量的电流
33. 电阻为零所带来的福音
34. 决定临界温度（Tc）的因素是什么？（1）（能否设计出高Tc的物质？）
35. 决定临界温度（Tc）的因素是什么？（2）（制造方法极为重要）
36. 高温超导体的特征（1）（Tc大幅变化）
37. 高温超导体的特征（2）（方向错误时无法流通电流！）
38. 高温超导体的特征（3）（处于超传导状态却无法在零电阻下流通电流）
39. 超导体的状态图 （超传导状态限界的总结）
40. 超传导电子之隧道效应的异常
【专栏】高温超导体热的秘闻

第二章　材料篇
41. 如何将超导体制成线材
42. 超导线并非只是一条超导线
43. 超传导线材的制造方法
44. 从金属超传导线材到高温超传导线材
45. 若将超导体制成薄膜时将又如何？
46. 能否使用超导体之块？
47. 高温超导体的强力磁石为巨大的宝石 BR>48. 制作超传导材料所面临的围篱

第三章　应用篇
49. 应用逐渐广?的超传导所形成的大树
50. 超传导输电电缆的开发
51. 超传导输电电缆的结构
52. 超传导输电电缆之试验
53. 次一世代的超传导线材是什么？
54. 利用超传导线材制造电磁石
55 .利用超传导储存电力
56. 高灵敏度磁共振中不可或缺的超传导电磁石
57. 超传导在磁浮列车中的作用
58. 磁浮列车的安全性与未来展望
59. 以高磁场控制电子或带电粒子的动作
60. 使用高磁场以选别物质
61. 高温超传导磁石块的广泛应用
62. 以冷冻机冷却的超传导
63. 超传导电磁石所开拓的新研究范畴
64. 制造出高纯度硅的超传导电磁石
65. 活用于各种电力机器上的超传导
66. 作精密磁气测定的超传导元件
67. 测量脑或心脏的磁气！
68. 不发热的超高速超传导计算机
69. 支援行动电话社会的超传导泸波器
71. 若有朝一日实现室温超导体时？
72. 支援21世纪之地球环境的超导体

索引

　　我们每天所过的富庶生活，可说是拜科学技术高度发展所赐。在各式各样的尖端科学材料中，包括了将磁石这些自古以来便已使用的材料加以革新，制造出与工业革命之前完全不同功能的新材料。这些具有新功能的材料中，有些就如真空管一般，在风靡一世纪之后，至今几乎已被人所遗忘；有些材料则一直随着社会发展而广被应用，并逐年成长；有些则是在近几年方才急速发展、普及，并被期待成为未来技术。

　　超传导为一九一一年间突然发现的物理现象，这种现象说来简单，也就是「导体的电阻为零」。迄今虽然许多新的物理现象仍在学界中被持续研讨，不过，自从发现超传导的性质后，这种现象便一直被探讨如何应用于较通俗的能源方面。约经半个世纪，确定了超传导在能源应用上的优越性之后，业界成功地开发了真正的实用材料，日本也发表了磁浮列车的计画；尔后便从分析超导体现象的理论作为起点，开始进行设计与研发新的电子装置。但在又过了五十年后的今日，尽管期间已发现了高温超导体的重大成就，一般人仍旧觉得超传导属于「未来技术」而裹足不前。其实，这本书中所介绍的各种技术现今皆正在进行发展之中，无奈这种材料若非于低温使用，也就是不设法加以冷却时，并无法显出特有的超传导现象，由于这种因素，导致超导体迄今尚无法快速普及。

　　本书拟自物理、化学等侧面乃至各种应用上，就超传导的特点加以整理并作出说明，希望使读者能借此了解，在进入二十一世纪之后，超传导应该即将被广泛地应用于许多领域。若读者能够透过书中总计72个主题的说明，体认到超导体实为生活周遭之物时，也会是笔者最感快慰的一件事。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对基础科学有着浓厚兴趣的爱好者，我总是在寻找能够刷新我认知、拓宽我视野的书籍。而“图解超导体”这个名字，恰恰精准地击中了我的兴趣点。“图解”这个词暗示着这本书会以一种直观、易懂的方式呈现超导性的奥秘，这对于许多非物理学专业的读者来说，无疑是一剂强心针。我曾尝试阅读过一些关于量子力学的书籍，虽然内容很精彩，但往往因为缺乏足够的视觉辅助而让我感到晦涩难懂。这本书如果能将复杂的理论转化为清晰的图示，比如描绘电子在晶格中运动的动画般的插图，或者用生动的比喻来解释量子相干性，那将是我莫大的福音。我尤其好奇，这本书是否会深入探讨超导性的不同类型，例如传统的BCS超导和高温超导，它们之间的区别以及各自的挑战又是什么？我猜想，书中可能会涉及到一些基础的凝聚态物理概念，比如声子、库珀对，甚至是约瑟夫森结。如果能将这些概念用形象化的方式呈现出来，而不是仅仅罗列公式，那将极大地提升阅读的乐趣和学习的效率。我希望这本书能够让我不仅仅是“知道”超导体是什么，更能“理解”它为何如此独特，以及它在未来的科技发展中扮演着怎样的角色。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对科学史充满好奇的爱好者，我总是在寻找能够连接理论与现实、知识与故事的书籍。而“图解超导体”这个书名，让我想象它不仅仅是一本介绍物理概念的教科书，更可能是一次关于发现、探索和创新的旅程。我期望书中会以引人入胜的方式，讲述超导体这一现象的发现历程，也许会从卡末林·昂内斯在1911年发现液氦的零电阻现象开始，一步步揭示科学家们如何一步步攻克难关，理解并利用这一奇特的量子效应。我尤其期待“图解”的部分，它应该能帮助我理解那些抽象的物理概念，比如电子如何在晶格中协同运动，形成“库珀对”，以及“能隙”的形成机制。我希望书中会有大量的插图，能够生动地展示这些微观世界的奇妙景象，让理论不再是冰冷的文字，而是鲜活的画面。另外，我更想知道超导体在现实世界中的重要性。这本书会不会介绍那些已经成熟的超导应用，比如强大的MRI设备、无损耗的输电线路，亦或是那些正在突破中的前沿科技，例如全超导托卡马克核聚变装置、高性能的粒子加速器，甚至是神秘的量子计算机？我希望通过这本书，能够看到超导性如何从一个纯粹的物理现象，演变成改变我们生活、驱动科技进步的关键力量。

评分☆☆☆☆☆

我之前对超导体这个概念仅停留在“电流不会损耗”这一层面，感觉非常神奇，但具体是怎么回事完全不了解。“图解超导体”这个书名立刻吸引了我，因为它承诺了一种“图解”的方式，这对我这种偏爱视觉化学习的人来说简直太友好了。我猜想这本书不会是那种堆砌公式、只给理论的书，而是会用各种生动形象的图示来解释复杂的物理原理。我特别期待书中能用图来展示电子是如何在超导体内部形成“库珀对”的，以及这个过程是如何克服了电阻。还有，对于“迈斯纳效应”，我也想看到清晰的图解，比如磁场线是如何被超导体排斥的，这其中的物理机制是什么。这本书是否会涉及一些关于超导材料的种类，比如低温超导体和高温超导体的区别？如果能用图来对比它们在不同温度下的表现，那将非常有帮助。我希望这本书能够帮助我理解超导性背后的物理本质，而不是仅仅停留在表面知识。而且，我对超导性在未来科技中的应用也非常感兴趣，比如磁悬浮列车、更强大的核聚变反应堆，甚至是量子计算，都听说与超导材料有关。希望这本书能够通过图解的方式，将这些令人兴奋的应用前景呈现在我面前，让我对这个神奇的领域有更深入的认识。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对科技前沿新闻略有关心的人，经常听到关于“超导材料”的新闻，但总是觉得离自己太遥远，一知半解。“图解超导体”这个书名，就像一道曙光，让我觉得终于有机会能够系统地、并且是以一种我能够接受的方式去了解它。我设想这本书会从基础讲起，比如解释什么是“超导”这个现象本身，它是如何被发现的，以及它与普通导体的根本区别在哪里。我期待的不仅仅是理论的介绍，更重要的是“图解”的魅力。我想象书中会有大量的图表、示意图，甚至是模拟动画的截图，来展示电子在超导体中的特殊行为，比如无损耗传输、迈斯纳效应（磁场被排斥出超导体）。这些“图解”应该能够将那些抽象的物理概念，比如能隙、能带结构，变得可视化，帮助我建立起一个清晰的物理图像。另外，作为一名对未来科技感兴趣的读者，我非常想知道超导材料在现实生活中到底能带来哪些颠覆性的变革。书中会不会介绍一些已经实现或正在研发中的超导应用，比如更高效的输电线、更强大的医疗成像设备（MRI）、以及更先进的粒子加速器？我对这些实际应用充满了好奇，希望这本书能够填补我在这方面的知识空白，让我能够更深刻地理解超导性对人类社会发展的潜在影响。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简直太吸引人了！那种流动的、仿佛有能量在其中穿梭的图案，立刻就勾起了我对物理世界的好奇心。我一直对那些“不可思议”的现象很感兴趣，而超导性绝对算得上是其中之一。想象一下，电流在没有丝毫阻碍的情况下流动，这简直就是科幻小说里的情节，但它却是真实存在的。这本书的标题，"图解超导体"，让我觉得它不是那种枯燥乏味的学术著作，而是会用生动形象的方式来解释这些复杂的概念。我期待着书中会有大量的图示，能够帮助我这个非专业人士也能理解那些抽象的物理原理。不知道它会不会从历史的视角去介绍超导性的发现过程，比如那些伟大的科学家们是如何一步步揭开这个谜团的？或者，它会从微观世界出发，解释电子是如何在超导体中奇妙地运动的？我脑海里已经浮现出许多关于电子对、能隙、以及量子隧穿效应的画面，希望这本书能将这些复杂的概念变得触手可及。而且，我一直有个疑问，超导性究竟有什么实际的应用？书里会不会介绍那些酷炫的科技，比如磁悬浮列车、强大的电磁铁，甚至是未来的量子计算机？单凭封面，我就已经对这本书充满了无限的遐想，迫不及待想要翻开它，一探究竟了。