量子计算含义精选(五篇)

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的5篇量子计算含义，期待它们能激发您的灵感。

篇1

关键词：流动分析仪；紫外光度计；水质；亚硝酸盐

中图分类号：X832 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170533026

养殖水质中亚硝酸盐含量的高低将决定着养殖水质的好坏，影响着养殖水产品的产量；一些长期贮存的饮用水中亚硝酸酸盐含量超标，人一旦长期饮用会影响人体健康，甚至有致癌的风险；在食品生产中亚硝酸盐作为一种着色剂和防腐剂使用，少则无害多存隐患。在人类生活水平得到提高的前提下，人类越来越关注健康，越来越来关注水质的质量，越来越关注食品安全，亚硝酸盐是水质监测与食品添加剂中常测指标之一。测定亚硝酸盐的方法主要有分光光度法、荧光法、离子色谱法、液相色谱法、流动注射法、共振散射光谱法、电化学法、化学发光法等[1]。在生活节奏越来越快的当下，亚硝酸盐含量检测的高效性与准确性成为检测行业追求的新态势。本文就测试水中亚硝酸盐含量的众多方法中选用的流动分析仪与紫外分光光度计两台仪器的测试情况进行了比较与分析。

1 方法与仪器

1.1 方法原理

《水质 亚硝酸盐氮的测定 分光光度法》 在磷酸介质中，pH值为1.8时，试份中的亚硝酸根离子与4-氨基苯磺酰胺反应生成重氮盐，再与盐酸萘乙二胺偶联生成红色染料，540nm波长测定吸光度[2]。

《亚硝酸盐的测定-流动分析法》在酸性介质中，亚硝酸盐与磺胺发生重氮化反应，其产物再与盐酸萘乙二胺偶合生成红色偶氮染料，于550波长测定[3]。

1.2 仪器与工作参数

连续流动分析仪Futura（法国ALLIANCE公司），测量波长540nm，参比波长660nm，分析速率40样/h，取样时间45s，寻峰时间15～65s，清洗时间45s，显色剂进样管0.76mm，水样进样管内径1.85mm。

紫外分光光度计Cary 100 Conc（美国VARIAN公司），测量波长540nm，光程10mm比色皿。

2 试剂与前处理

2.1 试剂

亚硝酸盐标准溶液：100mg/L，购于中国计量科学研究院，证书号GBW（E）080223。亚硝酸盐环境标准样品：0.151±0.008 mg/L，购于环境保护部标准物质研究所，证书号：200633。其它试剂选用至少分析纯级别，水质符合测试分析的2类水质。

2.1.1 流动分析仪测试标准曲线的配制

取1.00mL亚硝酸盐标准溶液（100mg/L）于100.0mL容量瓶，用超纯水定容至刻度线，浓度为1000?g/L，用流动分析仪自备稀释器分别稀释成0、5.00、10.00、25.00、50.00、100.0、150.0、200.0?g/L，共8个浓度点进行测试标准曲线。

2.1.2 紫外分光光度法测试标准曲线的配制

分别移取0、1.00、3.00、5.00、7.00、10.00mL（浓度为1000?g/L的亚硝酸盐标准中间液）至50mL比色管，用水稀释至标线，配制浓度分别为0、20.00、60.00、100.0、140.0、200.0?g/L，共6个浓度点，再分别加入1.0mL显色剂，密塞，摇匀静置，2h内用紫外分光光度计测试标准曲线。

2.2 样品前处理 水质均经过0.45um滤膜过滤后测定

2.2.1 流动分析仪测试所需的水量

待测水样样量

2.2.2 紫外分光光度计测试所需的水量

待测水样约量50mL左右，选用传统的抽空泵进行抽滤水样，达到50mL水样量为待测样品。

2.3 实验步骤

2.3.1 流动分析仪测试过程

配制好显色剂，调试仪器至最佳工作状态，开始泵入显色剂，待试剂基线稳定后，调节基线和增益，标准溶液及待测水样置于自动取样器固定架中，再次等待基线稳定后进行标准曲线与待测样品的测试。

2.3.2 紫外分光光度计测试过程

测试时取50.0mL各待测水样，分别手动加入1.0mL显色剂，密塞，摇匀静置，2h内于540nm最大吸光度波长处，用光程长10mm的比色皿，用水做参比测定样品浓度。

3 结果与讨论

3.1 标准曲线、线性及范围

分别用流动分析仪与紫外分光光度计测试亚硝酸盐0～200?g/L浓度点的标准曲线，测试情况如表1，流动分析仪与紫外分光光度计测试标准曲线的范围均在0～200?g/L之间，线性相关系数均大于0.997，检出限均较低。

3.2 测试精密度与准确度

分别用流动分析仪与紫外分光光度计测试水质样品与编号200633（GSBZ5006-88）的环境标准样品各7次，精密度与准确度如表2，对同一水样的测试标准偏差范围在1.1%～6.9%之间，测试环境标准样品的浓度值在0.151±0.008 mg/L范围，均符合证书要求。

3.3 样品的加标回收率

在待测水样中加入低、中、高的亚硝酸盐标准溶液，按上述处理方法分别用两台仪器进行测试，测试结果如表3，加标回收率在92.0%～102.0%之间，均达到方法要求。

4 结论

用流动分析仪与紫外分光光度2台不同的仪器对相同水样进行测试可知：标准曲线、线性相关系数、方法检出限均接近达到相关规定；2台仪器测试样品的精密度、准确度、加标回收率均能达到方法要求；但流动分析仪测试样品的前处理较简便与快速、测试时自动化程度高、分析速度快、消耗的待测样量少、测试后产生的废液少等优势，故流动分析x是水质亚硝酸盐测试的理想测试仪器之选，值得推广与普遍使用。

参考文献

[1]胡浩光，王耀，谢翠美，等.连续流动分析法测定环境水样中痕量亚硝酸盐[J].现代仪器，2010（06）：68-70.

[2]中华人民共和国国家标准.GB7493-1987水质亚硝酸盐氮的测定分光光度法[S].北京：国家环境保护局，1987.

篇2

关键词： 量子概率； 量子三叉树；量子B-S模型；量子期权敏感性

中图分类号：F830； O413 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）01-0014-03

0 引言

量子金融是量子概率应用于金融市场的研究，体现了期权定价[1]思想上的创新。目前，国内外学者在这方面已做了一定的工作。陈泽乾[2]提出二项式期权定价量子模型。E.Sega[3]用量子效应解释在金融市场期权价格的不规则变化。Emmanuel和E.Have[4]描述了在量子系统中，Black-Scholes模型的具体含义。Belal.E.Baaquie[5]研究了基于量子理论的有息债券欧式期权利率模型。Liviu-Adrian Cotfas[6]借助Fourier变换和量子算符模型分析股票信息与价格的关系。本文建立了量子三叉树模型。根据期权折现流在量子概率下是一个鞅过程，给出了量子概率在金融问题中的作用。同时根据Tailor公式，用量子力学过程代替经典随机过程描述股票价格，在股票价格St遵循量子Brown运动的情形下，得到连续量子B-S模型。实例应用和Matlab仿真都证实了量子B-S的有效性。一方面简化了期权计算，另一方面更好地揭示了金融市场的量子特征。

1 量子三叉树模型

2 连续量子Black-Scholes模型

定理2. 量子期权平价公式

在任意一个时刻t

证明：在t=0时刻，由文献[9]可以构造两个量子投资组合φ1=c+Ke-rT，φ2=p+S。

设Vt（φ）是投资组合φ在时刻t的财富值，考虑上面两个量子投资组合，在t=T时刻的值

VT（φ1）=VT（c）+VT（Ke-rT）=（ST-K）++K=max{K，ST}

VT（φ2）=VT（p）+VT（S）=（K-ST）++ST=max{K，ST}

故VT（φ1）=VT（φ2），从而得到Vt（φ1）=Vt（φ2），即ct+Ke-r（T-t）=pt+St成立。

有了量子期权平价公式，由量子B-S算出看涨期权的价格，就可以得出看跌期权的价格。

4 实例应用

5 量子欧式期权敏感性[10]应用

以下是用MATLA对欧式期权敏感性做的仿真：

图1和图2表示期权标的物的价格波动性变动对期权价格的影响程度，数学表达式■，f为Black-Scholes期权定价公式中期权价格函数C。颜色反映灵敏度，下面是量子图，它比上面的经典图更能体现细微的波动值的变动。

6 结论

本文以量子概率的角度，利用量子力学理论建立了量子三叉树和量子Black-Scholes模型，处理了复杂期权定价问题。实例应用和敏感性分析都证实了量子B-S模型的有效性，量子期权图对金融市场标的物的价格细微波动变化反应更敏感，更能体现金融市场的量子特征。

参考文献：

[1]J.C. Hull. Options， Futures and Other Derivatives[M]. Prentice Hall， Inc， 2009.

[2]Zeqian Chen. Quantum theory for the binomial model in finance theory [J].Journal of systems science and complexity， 2004， 17：567-573.

[3]Segal W， Segal I E. The Black-Scholes pricing formula in the quantum context[J].Economic Sciences， 1998， 95（3）：4072-4075.

[4]E.Haven. Pilot-wave theory and financial option pricing[J].International Journal of theoretical Physica，2005，44（11）：1957-1962.

[5]Belal.E.Baaquie. The minimal length uncertainty and the quantum model for the stock market [J].Physica A， 2012， 391：2100-2105.

[6]Liviu-Adrian Cotfas. A finite dimensional quantum model for the stock market[J].Physica A， 2013，392：371-380.

[7]P.A.M.Dirac. The Principles of Quantum Mechanics.[M]. Science Press，2011.

[8]姜礼尚.期权定价的数学模型和方法[M].北京：高等教育出版社，2010：10-13.

篇3

【关键词】超弦/M理论/圈量子引力/哲学反思

【正文】

本文分四部分。首先明确什么是量子引力？其次给出当代量子引力发展简史，更次概述当代量子引力研究主要成果，最后探讨量子引力的一些哲学反思。

一、什么是量子引力？

当代基础物理学中最大的挑战性课题，就是把广义相对论与量子力学协调起来[1]。这个问题的研究，将会引起我们关于空间、时间、相互作用（运动）和物质结构诸观念的深刻变革，从而实现20世纪基础物理学所提出的空间时间观念的量子革命。

广义相对论是经典的相对论性引力场理论，量子力学是量子物理学的核心。凡是研究广义相对论和量子力学相互结合的理论，就称为量子引力理论，简称量子引力。探讨量子引力卓有成效的理论，主要有两种形式。第一，是把广义相对论进行量子化，正则量子引力属于此种。第二，是对一个不同于广义相对论的经典理论进行量子化，而广义相对论则作为它的低能极限，超弦／M理论则属于这种。

圈(Loop)量子引力[2]是当前正则量子引力的流行形式。正则量子引力是只有引力作用时的量子引力，和超弦／M理论相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是应用标准量子化手续于广义相对论，而广义相对论则写成正则的即Hamiltonian形式。正则量子引力根据历史发展大体上可分为朴素量子引力和圈量子引力。粗略来说，前者发生于1986年前，后者发生于1986年后。朴素量子引力由于存在着紫外发散的重正化困难，从而圈量子引力发展成为当前正则量子引力的代表。

超弦／M理论的目的，在于提供己知四种作用即引力和强、弱、电作用统一的量子理论。理论的基本实体不是点粒子，而是1维弦、2维简单膜和多维brane（广义膜）的延展性物质客体。超弦是具有超对称性的弦，它不意味着表示单个粒子或单种作用，而是通过弦的不同振动模式表示整个粒子谱系列。

圈量子引力和超弦／M理论之外，当代量子引力还有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓扑场论、扭量理论、非对易几何等。

二、当代量子引力研究进展

我们主要给出超弦／M理论和圈量子引力研究的重大进展。

1.超弦／M理论方面[3]

弦理论简称弦论，虽然在20纪70年代中期，已经知道其中自动包含引力现象，但因存在一些困难，只是到80年代中期才取得突破性进展。

1)80年代超弦理论

弦论发展可粗略分为早期弦理论（70年代）、超弦理论（80年代）和M理论（90年代）三个时期。我们从80年代超弦理论开始，简述其研究进展。

1981年，M·Green和J.Schwarz提出一种崭新的超对称弦理论，简称超弦理论，认为弦具有超对称性质，弦的特征长度已不再是强子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。

1984年，Green和Schwarz证明[4]，当规范群取为SO(32)时，超弦I型的杨－Mills反常消失，4粒子开弦圈图是有限的。

1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10维杂化弦概念，这种弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。杂化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)两种。

同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]对10维杂化弦E[，8]×E[，8]的额外空间6维进行紧致化，最重要的一类为Calabi－丘流形。但是这类流形总数多到数百万个，应该根据什么原则来选取作为我们世界的C－丘流形，至今还不清楚，虽然近10多年来，这方面的努力从来未中断过。

1986年，提出建立超弦协变场论问题，促进了对非微扰超弦理论的探讨。在诸种探讨方案中，以E.Witten的非对易几何最为突出[7]。

同年，人们详细地研究了超弦唯象学，例如E[，6]以下如何破缺及相应的物理学，对紧致空间已不限于C－丘流形，还包括轨形(Orbifold)、倍集空间等。

人们常把1984-86年期间对超弦研究的突破，称为第一次超弦革命。在此期间建立了超弦的五种相互独立的10维理论，而且是微扰的。它们是I型、IIA型、IIB型、杂化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。

2)90年代M理论

经过80年代末期和90年代初期，对超弦理论的对偶性、镜对称及拓扑改变等的研究，到1995年五种超弦微扰理论的统一性问题获得重大突破，从此第二次超弦革命开始出现。

1995年，Witten在南加州大学举行的95年度弦会议上发表演讲，点燃起第二次超弦革命。Witten根据诸种超弦间的对偶性及其在不同弦真空中的关联，猜测存在某一个根本理论能够把它们统一起来，这个根本理论Witten取名为M理论。这一年内Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，给出ⅡA型弦和M理论间的关系[8]、I型弦和杂化SO(32)型弦间的关系、杂化弦E[，8]×E[，8]型和M理论间的关系等。

1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人认识到D-branes的重要性。积极进行D-branes动力学研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe应用D-brane思想，计算了黑洞这种极端情形的熵和面积关系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面积的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena对具有不同角动量与电荷的黑洞所计算的结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理。G.Collins探讨了量子黑洞信息损失问题。

1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩阵弦理论，研究了M理论和矩阵模型间的联系和区别。

同年，Maldacena提出AdS/CFT对偶性[11]，即一种Anti-de Sitter空间中的IIB型超弦及其边界上的共形场论之间的对偶性假设，人们称为Maldacena猜测。这个猜测对于我们世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking确立果壳中宇宙的思想，都有不少的启示。

2.圈量子引力方面[12]

1)二十世纪80年代

1982年，印度物理学家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相继发表两篇文章，把广义相对论引力场方程表述成简单而精致的形式。

1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，认为该方程已经表述了广义相对论的核心内容。一年后，他给出了广义相对论新的流行形式，从而对于在Planck标度的空间时间几何量，可以进行具体计算，并作出精确的数量性预言。这种表述是此后正则量子引力进一步发展的关键。

同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引进经典Ashtekar变量后，他们在圈为光滑且非自相交情形下，求出了正则量子引力的WDW方程解。此后，他们又找到了即使在圈相交情况下的更多解。

1987年，由于Hamiltonian约束的Wilson圈解的发现，C.Revolli和Smolin引进观测量的经典Possion代数的圈表示，并使微分同胚约束用纽结(knot)态完全解出。

1988年，V.Husain等人用纽结理论(knot theory)，研究了量子约束方程的精确解及诸解间的关系，从而认为纽结理论支配引力场的物理量子态。同年，Witten引进拓朴量子场论(TQFT)的概念。

2)二十世纪90年代

1990年，Rovelli和Smolin指出，对于在大尺度几何近似变为平直时态的研究，可以预言Planck尺度空间具有几何断续性。对于编织的这些态，在微观很小尺度上具有“聚合物”的类似结构，可以看作为J.Wheeler时空泡沫的形式化。

1993年，J.Iwasaki和Rovelli探讨了量子引力中引力子的表示，引力子显示为时空编织纤维的拓朴修正。

1994年，Rovelli和Smolin第一次计算了面积算子和体积算子的本征值[13]，得出它们的本征谱为断续的重大结论。此后不久，物理学者曾用多种不同方法证明和推广这个结论，指出在Planck标度，空间面积和体积的本征谱，确实具有分立性。

1995年，Rovelli和Smolin利用自旋网络基[14]，解决了关于用圈基所长期存在的不完备性困难。此后不久，自旋网络形式体系，便由J.Baez彻底阐明。

1996年，Rovelli应用K.Krasnov观念，从圈量子引力基本上导出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。

1998年，Smolin研究圈和弦间的相似性，开始探讨圈量子引力和弦论的统一问题。

三、当代量子引力理论主要成就

1.超弦／M理论方面

1)弦及brane概念的提出

广义相对论中的奇性困难、量子场论中的紫外发散本质、朴素量子引力中的重正化问题，看来都起源于理论的纯粹几何的点模型。超弦理论提出轻子、夸克、规范粒子等微观粒子都是延伸在空间的一个区域中，它们都是1维的广延性物质，类似于弦状，其特征长度为Planck长度。M理论更推广了弦的概念，认为粒子类似于多维的brane，其线度大小为Planck长度。为简单起见，我们把brane也称作膜。超弦／M理论中，用有限大小的微观粒子替代粒子物理标准模型中纯粹几何的点粒子，这是极为重要且富有成效的革命性观念。

2)五种微扰超弦理论

这五种超弦的不同在于未破缺的超对称荷的数目和所具有的规范群。I型有N=1超对称性，含有开弦和闭弦，开弦零模描述杨－Mills场，闭弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超对称性，旋量为Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自动无反常，只含有闭弦，零模描述N=2超引力。IIB型同样有N=2超对称性，具有手征性。杂化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦杂化而成，只包含可定向闭弦，有手征性和N=1超对称性，可以描述引力及杨－Mills作用。

3)超弦唯象学

从唯象学角度来看，杂化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由紧致16维右旋坐标场(26-10=16)而产生的，即由16维内部空间紧致化而得到，也就是说在紧致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理论。

但是迄今为止，物理学根据实验认定我们的现实空间是三维的，时间是一维的，把四维时空(D=4)作为我们的现实时空。因此我们必须把10维时空紧致化得到低能有效四维理论，为此人们认为从D=10维理论出发，通过紧致化有

M[10]M[4]×K

此中K为C－丘流形，此内部紧致空间维数为10-4=6，M[4]为Minkowski空间，从而得到4维Minkowski空间低能有效理论。其重要结论有：

(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理论（M[10]中规范群为E[，8]×E[，8]）紧致化为D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超对称理论。

(2)夸克和轻子的代数Ng完全由K流形的拓朴性质决定：为Euler示性数χ，系拓朴不变量。

(3)对称破缺问题。已知超弦四维有效理论为N=1，规范群为E[，6]×E[，8]的超对称杨—Mills理论，现实模型要求破缺。首先由第二个E[，8]进行超对称破缺，然后对大统一群E[，6]已进行破缺，从而引力作用在E[，8]中，弱、电、强作用在E[，6]中，实现了四种作用的统一。

4)T和S′对偶性

尽管五种超弦理论在广义相对论和量子力学统合上，取得了不少进展，但是五种超弦理论则是相互独立的，理论却是微扰的。尽管在超弦唯象学中，原则上－丘流形K一旦固定下来，在D=4时空中所有零质量费米子和玻色子（包括Higgs粒子）就会被确定下来，但是－丘真空态总数则可多到数百万个，应该根据什么原则来选取－丘真空态，目前还不清楚。T对偶性和S对偶性的提出，正是五种超弦理论融通的主要桥梁。

在M理论的孕育过程中，对偶性起了重要作用。弦论中存在着一种在大小紧致空间之间的对偶性。例如ⅡA型弦在某一半径为R[，A]的圆周上紧致化和ⅡB型在另一半径为R[，8]的圆周上紧致化，两者是等效的，则有关系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是当R[，A]从无穷大变到零时，R[，B]从零变到无穷大。这给出了ⅡA弦和ⅡB弦之间的联系。两种杂化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在类似联系，尽管在技术性细节上有些差别，但本质上却是同样的。

A.Sen证明，在超对称理论中，必然存在着既带电荷又带磁荷的粒子。当这一猜测推广到弦论后，它被称作为S对偶性。S对偶性是强耦合与弱耦合间的对称性，由于耦合强度对应于膨胀子场，杂化弦SO(32)和I型弦可通过各自的膨胀子连系起来。

5)M理论和五种超弦、11维超引力间的联系

M理论作为10维超弦理论的11维扩展，包含了各种各样维数的brane，弦和二维膜只是它的两种特殊情况。M理论的最终目标，是用一个单一理论来描述已知的四种作用。M理论成功的标志，在于把量子力学和广义相对论的新理论框架中相容起来。

附图

上面给出五种超弦理论、11维超引力和M理论相容的一个框架示意图[16]，即M理论网络。此网络揭示了五种超弦理论、11维超引力都是单一M理论的特殊情形。当然至今M理论的具体形式仍未给出，它还处于初级阶段。

6)推导量子黑洞的熵－面积公式。

在某些情形下，D-branes可以解释成黑洞，或者说是黑branes，其经典意义是任何物质（包括光在内）都不能从中逃逸出的客体。于是开弦可以看成是具有一部分隐藏在黑branes之内的闭弦。Hawking认为黑洞并不完全是黑的，它可以辐射出能量。黑洞有熵，熵是用量子态来衡量一个系统的无序程度。在M理论之前，如何计算黑洞量子态数目是没有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，计算了黑－branes中的量子态数目，发现计算所得的的熵－面积公式，和Hawking预言的精确一致，即Bekenstein-Hawking公式，这无疑是M理论的一个卓越成就。

对于具有不同角动量和电荷的黑洞所计算结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理，这说明黑洞和量子力学是十分融洽的。

2.圈量子引力方面

1)Hamiltonian约束的精确解。

圈量子引力惊人结果之一，是可以求出Hamiltonian约束的精确解。其关键在于Hamiltonian约束的作用量，只是在s－纽结的结点处不等于零。所以不具有结点的s－纽结，才是量子Einstein动力学求出的物理态。但是这些解的物理诠释，至今还是模糊不清的。

其它的多种解也已求得，特别是联系连络表示的陈－Simons项和圈表示中的Jones多项式解，J.Pullin已经详细研究过。Witten用圈变换把这两种解联系起来。

2)时间演化问题

人们试图通过求解Hamiltonian约束，获得在概念上是很好定义的、并排除冻结时间形式来描述量子引力场的时间演化。一种选择是研究和某些物质变量相耦合的引力自由度随时间演化，这种探讨会导致物理Hamiltonian的试探性定义的建立，并在强耦合微扰展开中，对S纽结态间的跃迁振幅逐级进行考查。

3)杨－Mills理论的重正化问题

T.Thiemann把含有费米子圈的量子引力，探索性地推广到杨－Mills理论进行研究。他指出在量子Hamiltonian约束中，杨－Mills项可以严格形式给出定义。在这个探索中，紫外发散看来不再出现，从而强烈支持在量子引力中引进自然切割，即可摆脱传统量子场论的紫外发散困难。

4)面积和体积量度的断续性

圈量子引力最著名的物理成果，是给出了在Planck标度的空间几何量具有分立性的论断。例如面积

此中lp是Planck长度，j[，i]是第i个半整数。体积也有类似的量子化公式。

这个结论表明对应于测量的几何量算子，特别是面积算子和体积算子具有分立的本征值谱。根据量子力学，这意味着理论所预言的面积和体积的物理测量必定产生量子化的结果。由于最小的本征值数量级是Planck标度，这说明没有任何途径可以观测到比Planck标度更小的面积（～10[-66]厘米[2]）和体积（～10[-99]厘米[3]）。从此可见，空间由类似于谐振子振动能量的量子所构成，其几何量本征谱具有复杂结构。

5)推导量子黑洞的熵－面积公式

已知Schwarzchild黑洞熵S和面积A的关系，是Bekenstein和Hawking所给出，其公式为：

附图

这里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]为牛顿引力常量，c为光速。对这个关系式的深层理解和由物理本质上加以推导，M理论已经作过，现在我们看下圈量子引力的结果。

应用圈量子引力，通过统计力学加以计算，Krasnov和Rovelli导出

附图

此处γ为任意常数，β是实数(～1/4π)，显然如果取γ＝β，则由式(3)即可得到式(2)。这就是说，从圈量子引力所得出的黑洞熵－面积关系式，在相差一个常数值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面积公式是相容的。

Bekenstein-Hawking熵公式的推导，对圈量子引力理论是一个重大成功，尽管这个事实的精确含义目前还在议论，而且γ的意义也还不够清楚。

四、量子引力理论的哲学反思

我们从空间和时间的断续性、运动（相互作用）基本规律的统一性、物质结构基本单元的存在性三个方面进行哲学探讨。

1.空间和时间的断续性

当代基础物理学的核心问题，是在Planck标度破除空间时间连续性的经典观念，而代之以断续性的量子绘景。量子引力理论对空间分立性的揭示和论证，看来是最为成功的。

超弦／M理论认为，我们世界是由弦和brane构成的。根据弦论中给出的新的不确定性关系，弦必然有位置的模糊性，其线度存在一有限小值，弦、膜、或brane的线度是Planck长度，从而一维空间是量子化的。由此推知，面积和体积也应该是量子化的。二维面积量子的数量级为10[-66]厘米[2]，三维体积量子的数量级为10[-99]厘米[3]等。

对于圈量子引力，其最突出的物理成果是具体导出了计算面积和体积的量子化公式。粗略说来，面积的数量级是Planck长度lp的二次方，体积的数量级是lp的三次方。这就令人信服地论证了在Planck标度，面积和体积具有断续性或分立性，从而根本上否定了空间在微观上为连续性的经典观念。

依据空间和时间量度的量子性，芝诺悖论就是不成立的，阿基里斯在理论上也完全可以追上在他前面的乌龟。类似的，《庄子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，万世不竭”这个论断在很小尺度上显然也是不成立的。古代哲学中这两个难题的困人之处，从空间时间断续性来看，是由于预先设定了空间和时间的度量，始终是连续变化的经典性质。实际上在微观领域，空间和时间存在着不可分的基本单元。

2.运动（相互作用）基本规律的统一性

20世纪基础物理学巨大成功之一，就是建立了粒子物理学的标准模型，理论上它是筑基于量子规范场论的。这个模型给出了夸克、轻子层次强、弱、电作用的SU(3)×SU(2)×U(1)规范群结构，在一定程度上统一了强、弱、电三种相互作用的规律。但是它不含有引力作用。

超弦／M理论的探讨，在于构建包含引力在内的四种作用统一的物理理论。传递不同相互作用的粒子如光子（电磁作用）、弱玻色子（弱作用）、胶子（强作用）和引力子（引力作用），对应于弦的各种不同振动模式，夸克、轻子层次粒子间的作用，就是弦间的相互作用。在Planck标度，超弦／M理论是四种基本作用统一理论的最佳侯选者，也就是所说的万物理论(Theory of everything)的最佳侯选者。

在Planck时期，物质运动或四种作用基本规律的统一性，正是反映了我们宇宙在众多复杂性中所显现的一种基本简单性。

3.物质微观结构的基本单元的存在性[17]

世界是由物质构成的，物质通常是有结构的，但是物质结构在层次上是否具有基本单元，即德谟克利特式的“原子”是否存在？这是一个长期反复争论而又常新的课题。当代几种不同的量子引力，尽管对某些问题存在着不同的见解，但是关于这个问题从实质上来看，却给出了一致肯定的回答。

超弦／M理论认为，构成我们世界的物质微观基本单元是具有广延性的弦和brane，并非所谓的只有位置没有大小的数学抽象点粒子。粒子物理学标准模型中的粒子，都是弦或brane的激发。弦和brane的线度是有限短的Planck长度，它们正是构成我们世界的物质基本单元，即德谟克利特式的“原子”，这是超弦／M理论为现今所有粒子提供的本体性统一。

圈量子引力给出了在Planck标度面积和体积的量子化性质，即断续的本征值谱，面积和体积分别存在着最小值。由于在圈量子引力中，脱离引力场的背景空间是不存在的，而引子场是物质的一种形态，因此脱离物质的纯粹空间也就是不存在的。空间体积和面积的不连续性和基本单元的存在，正是物质微观结构的断续性和基本单元的存在性的最有力论据。

总之，超弦／M理论和圈量子引力从不同的侧面，对量子引力的本质和规律作出了一定的揭示，它们在Planck标度领域一致地得出了空间量子化和物质微观结构基本单元存在的结论。这无疑是人们在20世纪末期对我们世界空间时间经典观念的重大突破，也是广义相对论和量子力学统合的成果；同时更是哲学上关于空间和时间是物质存在的客观形式，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质学说的一曲凯歌！

【参考文献】

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[15]　C.Rovlli，Black hole entropy from loop quantum gravity.Phys.Rev.Lett.74(1996)3288.

篇4

1.1卫星通信系统组成卫星通信系统由两段组成，即地面段和空间段。

1.1.1空间段空间段包括通信卫星以及地面用于卫星控制和监测的设施，即卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站，能源装置等。

1.1.2地面段地面段包括所有的地球站，这些地球站通常通过一个地面网络连接到终端用户设备，或直接连接终端用户设备。地球站的主要功能是将发射的信号传送到卫星，再从卫星接收信号。地球站根据服务类型，大致可分为用户站、关口站和服务站3类。

1.2卫星通信系统的工作过程卫星通信系统地球站中各个已调载波的发射或接收通路经过卫星转发器转发，可以组成多条单跳或双跳的双工或单工卫星通信线路，整个通信系统的通信任务就是分别利用这些线路来实现的。单跳单工的卫星通信系统进行通信时，地面用户发出的基带信号经过地面通信网络传送到地球站。在地球站，通信设备对基带信号进行处理使其成为已调射频载波后发送到卫星。卫星作为中继站，接收此系统中所有地球站用上行频率发来的已调射频载波，然后进行放大和变频，用下行频率发送到接收地球站。接收地球站对接收到的已调射频载波进行处理，解调出基带信号，再通过地面网络传送给用户。为了避免上下行信号互相干扰，上下行频率一般使用不同的频谱，尽量保持足够大的间隔，以增加收发信号的隔离度。

2卫星通信所使用的频率

卫星通信所用的频率大多是C频段和Ku频段，但是由于业务量急剧增加，这两个频段乃至1—10GHz的频段都显得过于拥挤，所以必须开发更高的频段。现已开发出Ka（26—40GHz）频段，其带宽是3—4GHz，远大于上述两个频段。

3卫星通信的基本参数

3.1有效全向辐射功率：也称等效全向辐射功率，其定义为发射机发出的功率与天线增益的乘积。

3.2噪声系数和等效噪声温度：噪声系数，定义为接收机的输入信噪比与输出信噪比的比值，它用来表示接收机噪声性能的好坏。根据噪声理论，电子元器件内部的电子热运动和电子不规则的运动都将产生噪声，而且温度越高，噪声越大。所以接收机的噪声可用等效噪声温度来衡量。等效噪声温度是假设接收机输入端接一等效电阻，该电阻在一定温度下与该系统实际产生的噪声温度相同的热噪声。

3.3载噪比：卫星通信线路中的载波功率与噪声功率之比，是决定卫星通信线路性能的最基本的参数之一。

3.4地球站的品质因数，定义为接收机天线增益与接收端系统噪声温度之比。

3.5卫星转发器饱和通量密度：表示卫星转发器的灵敏度，其基本含义是，为使卫星转发器单载波饱和工作，在其接收天线的单位面积上应输入的功率。

3.6门限载噪比：为保证用户接收到的话音、图像和数据的质量达到一定要求，接收机所必须得到的最低载噪比，也是门限载噪比的含义。

4卫星通信与互联网

互联网是全球最大的多媒体商用网络、信息库和数字媒体。互联网和数字技术的发展使得所有信息内容都在网上实现，特别是数字音视频技术使得可以在互联网上看电视听广播[3]。由于卫星通信具有三维无缝覆盖能力、远程通信、广播特性、按需分配带宽，以及支持移动性的能力，成为互联网摆脱自身诸多问题的一个重要途径，也是向全球用户提供宽带综合互联网业务的最佳选择[4]。基于卫星的互联网是卫星直播、数字音视频、互联网的有机结合，作为一个开放、宽频、实时广播的网络平台，可以提供以下服务。

4.1宽带互联网接入，可根据使用者的需求，通过地面网络和卫星线路回传。

4.2多媒体服务，比如网页内容投递、内容镜像、缓存、数字电视、商务电视、流式音视频、软件分发(更新)、远程教学、信息商亭等。

4.3交互式应用，如视频点播、网上学习、网上游戏等。卫星通信与互联网结合能够带来很多益处，同时也应注意到，卫星系统和现有互联网地面基础设施之间的结合存在着互操作性问题，再设计和实现基于卫星的互联网时还存在许多技术挑战。

5卫星通信与导航定位系统

该系统是以人造卫星为导航台的星基无线定位系统，其基本作用是向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。目前该技术已基本取代无线电导航、天文测量和大地测量，成为普遍采用的导航定位技术。拥有此技术及能力，国家就会在政治、军事和经济等诸多领域占据主导地位，因此世界各大国不惜花巨资发展这一技术。1958年美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行任务中的精确定位问题，开始研究军用导航卫星，命名为“子午仪计划”，从1960年起就取消了无线电导航，第二代导航系统即———GPS(GlobalPositioningSyitem)便应运而生。俄罗斯的GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)是继GPS之后又一全球卫星导航系统，欧盟与欧空局也开发了新一代卫星导航系统———伽利略（Galileo）系统，习惯上称其为3G（GPSGLONASSGalileo）系统。我国的导航定位技术始于GPS，从2000年10月开始，我国发射了多颗导航卫星，命名为北斗卫星导航系统，现已覆盖我国及周边地区，预计2020年前后覆盖全球。

6卫星与激光通信

卫星与激光通信是利用激光光束作为信息载体在卫星间或卫星与地面间进行通信。经过多年探索，卫星激光通信已取得突破性进展，逐步成为开发太空、利用广阔的宇宙空间资源提供大容量、高数据率、低功耗通信的最佳方案，对于国防及商业应用都具有极大的价值。其原理是信息电信号通过调制加载在光波上，通信双方通过初定位和调整以及光束的捕获、瞄准和跟踪建立起光通信链路，然后在真空和大气中传播信息。其组成有激光光源子系统、光发射/接收子系统、APT子系统和其他一些辅助系统，其工作过程如下：

6.1发射过程。使用不同的激光器，产生信号光和信标光。经准直系统对激光进行光束准直后，具备了合适的发射角，2束光由合束器合成1束光，然后经分光片、精对准机构和天线发射出去。

6.2接收过程。接收到的光经过天线和分光片后，信标光一部分到达粗对准探测器，由粗对准控制器控制和驱动电路控制粗对准机构，完成粗对准和捕获；信标光另一部分经精对准机构、分光片、分束片到达精跟中踪探测器，由精对准控制器控制精对准机构，完成双方的精确对准和跟踪。信号光由信号光探测器检测。

7卫星与量子通信

卫星搭载量子通信技术，能够使人们借助外太空的卫星平台，建立星地高效自由空间量子信道，实现量子保密通信、星地量子纠缠分发、量子隐形传态实验。我国拟在近期发射量子通信卫星，在卫星平台应用量子技术的能力将达到世界领先水平。

7.1星地量子通信通过自动跟踪瞄准系统在高速相对运动的地面站和卫星终端之间建立高效稳定的量子信道，地面站随机发送H/V和+/-四种偏振状态的单光子信号；接收端接收量子信号，并随机选择H/V或+/-基矢对单光子信号进行测量；测量到足够的量子比特后，接收端将通过经典信道通知发射端其每次测量所用的基矢，抛弃所用基矢不一致的测量结果；接收端再将基矢选择一致的测量结果取一部分在经典信道公布出来供发射端校验。通过这一过程就可以在星地之间建立安全的量子密钥。

7.2星地纠缠分发将纠缠光源放在卫星上，通过搭载在卫星平台上的望远镜系统和自动跟瞄系统同时与两个地面站之间建立量子信道。将纠缠光子对的两个光子分别发送给两个地面站，两站在满足类空间隔条件下分别对纠缠光子对进行独立测量，观测量子纠缠现象。

7.3星地量子隐形传态地面量子信源产生一对纠缠光子，其中一个光子通过地面发射端传输给卫星，另一个放入量子存储器中存储起来。空间量子通信平台将接收到的光子态和未知量子态进行联合Bell态测量，同时将测量结果通过经典信道传输给地面系统。地面系统将另一个纠缠光子从量子存储器中读出来，并根据空间量子通信平台的测量结果进行相应的幺正变换，从而得到空间量子通信平台的未知量子态。

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【关键词】微腔物理；半导体；应用；探讨

激光技术研制成功之前，自发式辐射发出光源广泛应用于人们生活及学习环境中。激光研发使用后受激辐射引起研究者广泛关注，大量研究人员将精力投入其中进行研究开发。但随时间推移，人们潜意识认为自行发出辐射是原子处于激发状态，其产生过程是一种无法进行转变的常规反应，人们误认为这种自行发出的辐射激光是常规既定形式，其产生过程无法通过科学手段进行转变。现实中，自行发出辐射不是一种固定的物质形态，而是在真空涨落过程中产生转变使得原子之间相互作用出现自然反应[1]。假设在一个或者多个方向的尺度或者波长数量相同的同一个微腔内，放置一个以原子为剂量单位的物质，其自行产生的辐射本质并没有发生变化，或因所处在既定空间而被控制发生本质改变，通过研究，人们将这一现象称之为“腔量子电动力学”。

一、半导体微腔物理简介

随着科学研究对微腔物理领域及微腔效应不断深入，微腔激光器、微腔结构制作过程及相关性能研究成为国内外研究焦点。微腔是又尺寸很小的谐振腔构成，理想状态下的微腔成正方形，次存是既定不变的。但是实际研究或者使用中，可根据实际情况适当放宽，放宽尺寸后仍可在辐射光谱区内得到同样的作用方式。使用与目前飞速发展的未加工技术领域。1个既定微腔规定最少有1维的规格在光波长的规定范围级别内。实际研发出的微腔激光器根据其使用功能，有效波长范围也可适当调节，出现大于1个光波长的情况。由此得出微腔涉及范围仅为极少数原子或光子行为，对于微腔与原子之间产生作用的研究，能发现众多宏观体系行为与特征差异。微腔与原子之间的相互影响也因腔量子电动力学研究成果更加容易解释。微腔物理是一种具有独特特点，内容多样，不仅有重要理论含义，又能成为高新科技研究新的出发点的交叉领域学科。不仅能根据微腔物理的开发深入了解围观世界量子性能这类基础性认知，还可在最基本认知的基础上，对全新领域进行研究探讨，在今后新型技术研发领域内产生重要作用[2]。比如，微腔可通过改变自发辐射速率增加合成激射膜的发出量，甚至全部转换成激射膜，成为无阑值激光器，这样的转变提成过程导致激光器闭值一个甚至几个数量等级降低反应，是带宽数量级别得到增加，从而适应高密度光束合成。微腔激光器以及微腔激光器a生的2维面阵所产生的光源，具有成本低，效率高且高密度可大量生产等优点。在光学巨平行计算、传输及处理等方面产生不能取代的作用，使其不仅可在低功率光互联、据平行等数字光学计算领域的到应用，在多头存储器、二维扫描、多信道光纤通信、激光打印及信息显示等领域得到广泛使用，成为一个国家信息产业不断进步发展的基础，为金钩信息产业发展产生重要影响。

二、半导体微腔物理的应用

第一，半导体微腔物理的国内应用现状。国内应用研发操作主要体现在微腔激光物理领域，比如使用速率方程对微腔激光器进行研究，对其稳定及瞬态特征进行鉴定，另一方面，研究其在可饱和吸收状态下，微腔激光器的自脉冲稳定性能。实验中研究人员对垂直腔体内进行激光发射、圆盘形半导体内进行激光发射、玻璃微球或者有机物质中产生的微腔反应。根据需求以出现多种类型，不同品牌微腔激光器共同存在的现状局面。这些设备因结构，材料、波长差异，其性能用途也不尽相同[3]。微腔激光器谐振腔小，根据结构不同分为垂直腔表面发射型、圆盘型和微球型。根据材料不同可分为有机聚合物、掺合稀土成分的玻璃或者晶体。微腔激光器发射波长超出红外线等可见光线范围。各微腔部分点泵浦支持下，输出不同性质激光，以满足各种需求。此外，国内光学晶体研究领先于国际水平。国内对于微腔物理研究尚在起步阶段，研究人员培训，队伍建设及实验室都在初步时期，由于具备国内外最新设备，实验条件是目前国内外最先进的。国内现有的实验室条件优越，不仅配备多台先进设备，对于量子线及量子点等材质也可自行制作。设备先进化对于研究起到了推进作用。当然对于研究测定方面，也具备最新技术，对于瞬态光谱、激发状态物理功能等测试也是相当精准的。

第二，半导体微腔物理的国外应用现状。综合微腔物理是实际中的意义及作用，国内外专家学者对于这方面的研究也在不断加强，纵观国内外大型国际会议关于微腔效应的关注程度，微腔效应的研发及微腔激光器、结构及制造、性能等方面已成为国际研究焦点。因研究结果对自身科技推动作用巨大，现有科学论据尚处于保密阶段，国际将微腔激光物理作为研究重点，分别针对理论、实验两个领域入手，对各种腔量子电动学产生的效果进行总结分析。目前垂直腔面激发微腔激光器已研发成功，具备优越功能，在实际中使用。根据理论定位与实验结果相结合，成功研制出一种新型激子激光器，新型激光器是根据量子统计效应发生非平衡激子布局来实现的[4]。

综上所述，近年来，科学研究领域成果层出不穷，不断推动科学技术的进步和发展，人们已经进入信息时代。电子技术及光子技术是信息技术的基本组成。光子技术会在未来通信及计算机领域未来发展中普遍应用。根据微腔物理探究能够促进微腔激光器、光自学以及信息产业技术进步，并且推动其他相关行业的发展进程，对光计算机、光纤通讯、信息显示等光信息处理领域的发展有重要影响。

参考文献：

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