序言：作為思想的載體和知識(shí)的探索者，寫(xiě)作是一種獨(dú)特的藝術(shù)，我們?yōu)槟鷾?zhǔn)備了不同風(fēng)格的5篇量子計(jì)算含義，期待它們能激發(fā)您的靈感。

篇1

關(guān)鍵詞：流動(dòng)分析儀；紫外光度計(jì)；水質(zhì)；亞硝酸鹽

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170533026

養(yǎng)殖水質(zhì)中亞硝酸鹽含量的高低將決定著養(yǎng)殖水質(zhì)的好壞，影響著養(yǎng)殖水產(chǎn)品的產(chǎn)量；一些長(zhǎng)期貯存的飲用水中亞硝酸酸鹽含量超標(biāo)，人一旦長(zhǎng)期飲用會(huì)影響人體健康，甚至有致癌的風(fēng)險(xiǎn)；在食品生產(chǎn)中亞硝酸鹽作為一種著色劑和防腐劑使用，少則無(wú)害多存隱患。在人類生活水平得到提高的前提下，人類越來(lái)越關(guān)注健康，越來(lái)越來(lái)關(guān)注水質(zhì)的質(zhì)量，越來(lái)越關(guān)注食品安全，亞硝酸鹽是水質(zhì)監(jiān)測(cè)與食品添加劑中常測(cè)指標(biāo)之一。測(cè)定亞硝酸鹽的方法主要有分光光度法、熒光法、離子色譜法、液相色譜法、流動(dòng)注射法、共振散射光譜法、電化學(xué)法、化學(xué)發(fā)光法等[1]。在生活節(jié)奏越來(lái)越快的當(dāng)下，亞硝酸鹽含量檢測(cè)的高效性與準(zhǔn)確性成為檢測(cè)行業(yè)追求的新態(tài)勢(shì)。本文就測(cè)試水中亞硝酸鹽含量的眾多方法中選用的流動(dòng)分析儀與紫外分光光度計(jì)兩臺(tái)儀器的測(cè)試情況進(jìn)行了比較與分析。

1 方法與儀器

1.1 方法原理

《水質(zhì) 亞硝酸鹽氮的測(cè)定 分光光度法》 在磷酸介質(zhì)中，pH值為1.8時(shí)，試份中的亞硝酸根離子與4-氨基苯磺酰胺反應(yīng)生成重氮鹽，再與鹽酸萘乙二胺偶聯(lián)生成紅色染料，540nm波長(zhǎng)測(cè)定吸光度[2]。

《亞硝酸鹽的測(cè)定-流動(dòng)分析法》在酸性介質(zhì)中，亞硝酸鹽與磺胺發(fā)生重氮化反應(yīng)，其產(chǎn)物再與鹽酸萘乙二胺偶合生成紅色偶氮染料，于550波長(zhǎng)測(cè)定[3]。

1.2 儀器與工作參數(shù)

連續(xù)流動(dòng)分析儀Futura（法國(guó)ALLIANCE公司），測(cè)量波長(zhǎng)540nm，參比波長(zhǎng)660nm，分析速率40樣/h，取樣時(shí)間45s，尋峰時(shí)間15～65s，清洗時(shí)間45s，顯色劑進(jìn)樣管0.76mm，水樣進(jìn)樣管內(nèi)徑1.85mm。

紫外分光光度計(jì)Cary 100 Conc（美國(guó)VARIAN公司），測(cè)量波長(zhǎng)540nm，光程10mm比色皿。

2 試劑與前處理

2.1 試劑

亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液：100mg/L，購(gòu)于中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，證書(shū)號(hào)GBW（E）080223。亞硝酸鹽環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品：0.151±0.008 mg/L，購(gòu)于環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究所，證書(shū)號(hào)：200633。其它試劑選用至少分析純級(jí)別，水質(zhì)符合測(cè)試分析的2類水質(zhì)。

2.1.1 流動(dòng)分析儀測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)曲線的配制

取1.00mL亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液（100mg/L）于100.0mL容量瓶，用超純水定容至刻度線，濃度為1000?g/L，用流動(dòng)分析儀自備稀釋器分別稀釋成0、5.00、10.00、25.00、50.00、100.0、150.0、200.0?g/L，共8個(gè)濃度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.1.2 紫外分光光度法測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)曲線的配制

分別移取0、1.00、3.00、5.00、7.00、10.00mL（濃度為1000?g/L的亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)中間液）至50mL比色管，用水稀釋至標(biāo)線，配制濃度分別為0、20.00、60.00、100.0、140.0、200.0?g/L，共6個(gè)濃度點(diǎn)，再分別加入1.0mL顯色劑，密塞，搖勻靜置，2h內(nèi)用紫外分光光度計(jì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.2 樣品前處理 水質(zhì)均經(jīng)過(guò)0.45um濾膜過(guò)濾后測(cè)定

2.2.1 流動(dòng)分析儀測(cè)試所需的水量

待測(cè)水樣樣量

2.2.2 紫外分光光度計(jì)測(cè)試所需的水量

待測(cè)水樣約量50mL左右，選用傳統(tǒng)的抽空泵進(jìn)行抽濾水樣，達(dá)到50mL水樣量為待測(cè)樣品。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 流動(dòng)分析儀測(cè)試過(guò)程

配制好顯色劑，調(diào)試儀器至最佳工作狀態(tài)，開(kāi)始泵入顯色劑，待試劑基線穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)基線和增益，標(biāo)準(zhǔn)溶液及待測(cè)水樣置于自動(dòng)取樣器固定架中，再次等待基線穩(wěn)定后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線與待測(cè)樣品的測(cè)試。

2.3.2 紫外分光光度計(jì)測(cè)試過(guò)程

測(cè)試時(shí)取50.0mL各待測(cè)水樣，分別手動(dòng)加入1.0mL顯色劑，密塞，搖勻靜置，2h內(nèi)于540nm最大吸光度波長(zhǎng)處，用光程長(zhǎng)10mm的比色皿，用水做參比測(cè)定樣品濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性及范圍

分別用流動(dòng)分析儀與紫外分光光度計(jì)測(cè)試亞硝酸鹽0～200?g/L濃度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，測(cè)試情況如表1，流動(dòng)分析儀與紫外分光光度計(jì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)曲線的范圍均在0～200?g/L之間，線性相關(guān)系數(shù)均大于0.997，檢出限均較低。

3.2 測(cè)試精密度與準(zhǔn)確度

分別用流動(dòng)分析儀與紫外分光光度計(jì)測(cè)試水質(zhì)樣品與編號(hào)200633（GSBZ5006-88）的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品各7次，精密度與準(zhǔn)確度如表2，對(duì)同一水樣的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍在1.1%～6.9%之間，測(cè)試環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品的濃度值在0.151±0.008 mg/L范圍，均符合證書(shū)要求。

3.3 樣品的加標(biāo)回收率

在待測(cè)水樣中加入低、中、高的亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，按上述處理方法分別用兩臺(tái)儀器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3，加標(biāo)回收率在92.0%～102.0%之間，均達(dá)到方法要求。

4 結(jié)論

用流動(dòng)分析儀與紫外分光光度2臺(tái)不同的儀器對(duì)相同水樣進(jìn)行測(cè)試可知：標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性相關(guān)系數(shù)、方法檢出限均接近達(dá)到相關(guān)規(guī)定；2臺(tái)儀器測(cè)試樣品的精密度、準(zhǔn)確度、加標(biāo)回收率均能達(dá)到方法要求；但流動(dòng)分析儀測(cè)試樣品的前處理較簡(jiǎn)便與快速、測(cè)試時(shí)自動(dòng)化程度高、分析速度快、消耗的待測(cè)樣量少、測(cè)試后產(chǎn)生的廢液少等優(yōu)勢(shì)，故流動(dòng)分析x是水質(zhì)亞硝酸鹽測(cè)試的理想測(cè)試儀器之選，值得推廣與普遍使用。

參考文獻(xiàn)

[1]胡浩光，王耀，謝翠美，等.連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定環(huán)境水樣中痕量亞硝酸鹽[J].現(xiàn)代儀器，2010（06）：68-70.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB7493-1987水質(zhì)亞硝酸鹽氮的測(cè)定分光光度法[S].北京：國(guó)家環(huán)境保護(hù)局，1987.

篇2

關(guān)鍵詞： 量子概率； 量子三叉樹(shù)；量子B-S模型；量子期權(quán)敏感性

中圖分類號(hào)：F830； O413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）01-0014-03

0 引言

量子金融是量子概率應(yīng)用于金融市場(chǎng)的研究，體現(xiàn)了期權(quán)定價(jià)[1]思想上的創(chuàng)新。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面已做了一定的工作。陳澤乾[2]提出二項(xiàng)式期權(quán)定價(jià)量子模型。E.Sega[3]用量子效應(yīng)解釋在金融市場(chǎng)期權(quán)價(jià)格的不規(guī)則變化。Emmanuel和E.Have[4]描述了在量子系統(tǒng)中，Black-Scholes模型的具體含義。Belal.E.Baaquie[5]研究了基于量子理論的有息債券歐式期權(quán)利率模型。Liviu-Adrian Cotfas[6]借助Fourier變換和量子算符模型分析股票信息與價(jià)格的關(guān)系。本文建立了量子三叉樹(shù)模型。根據(jù)期權(quán)折現(xiàn)流在量子概率下是一個(gè)鞅過(guò)程，給出了量子概率在金融問(wèn)題中的作用。同時(shí)根據(jù)Tailor公式，用量子力學(xué)過(guò)程代替經(jīng)典隨機(jī)過(guò)程描述股票價(jià)格，在股票價(jià)格St遵循量子Brown運(yùn)動(dòng)的情形下，得到連續(xù)量子B-S模型。實(shí)例應(yīng)用和Matlab仿真都證實(shí)了量子B-S的有效性。一方面簡(jiǎn)化了期權(quán)計(jì)算，另一方面更好地揭示了金融市場(chǎng)的量子特征。

1 量子三叉樹(shù)模型

2 連續(xù)量子Black-Scholes模型

定理2. 量子期權(quán)平價(jià)公式

在任意一個(gè)時(shí)刻t

證明：在t=0時(shí)刻，由文獻(xiàn)[9]可以構(gòu)造兩個(gè)量子投資組合φ1=c+Ke-rT，φ2=p+S。

設(shè)Vt（φ）是投資組合φ在時(shí)刻t的財(cái)富值，考慮上面兩個(gè)量子投資組合，在t=T時(shí)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），從而得到Vt（φ1）=Vt（φ2），即ct+Ke-r（T-t）=pt+St成立。

有了量子期權(quán)平價(jià)公式，由量子B-S算出看漲期權(quán)的價(jià)格，就可以得出看跌期權(quán)的價(jià)格。

4 實(shí)例應(yīng)用

5 量子歐式期權(quán)敏感性[10]應(yīng)用

以下是用MATLA對(duì)歐式期權(quán)敏感性做的仿真：

圖1和圖2表示期權(quán)標(biāo)的物的價(jià)格波動(dòng)性變動(dòng)對(duì)期權(quán)價(jià)格的影響程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式■，f為Black-Scholes期權(quán)定價(jià)公式中期權(quán)價(jià)格函數(shù)C。顏色反映靈敏度，下面是量子圖，它比上面的經(jīng)典圖更能體現(xiàn)細(xì)微的波動(dòng)值的變動(dòng)。

6 結(jié)論

本文以量子概率的角度，利用量子力學(xué)理論建立了量子三叉樹(shù)和量子Black-Scholes模型，處理了復(fù)雜期權(quán)定價(jià)問(wèn)題。實(shí)例應(yīng)用和敏感性分析都證實(shí)了量子B-S模型的有效性，量子期權(quán)圖對(duì)金融市場(chǎng)標(biāo)的物的價(jià)格細(xì)微波動(dòng)變化反應(yīng)更敏感，更能體現(xiàn)金融市場(chǎng)的量子特征。

參考文獻(xiàn)：

[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.

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[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]姜禮尚.期權(quán)定價(jià)的數(shù)學(xué)模型和方法[M].北京：高等教育出版社，2010：10-13.

篇3

【關(guān)鍵詞】超弦/M理論/圈量子引力/哲學(xué)反思

【正文】

本文分四部分。首先明確什么是量子引力？其次給出當(dāng)代量子引力發(fā)展簡(jiǎn)史，更次概述當(dāng)代量子引力研究主要成果，最后探討量子引力的一些哲學(xué)反思。

一、什么是量子引力？

當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)中最大的挑戰(zhàn)性課題，就是把廣義相對(duì)論與量子力學(xué)協(xié)調(diào)起來(lái)[1]。這個(gè)問(wèn)題的研究，將會(huì)引起我們關(guān)于空間、時(shí)間、相互作用（運(yùn)動(dòng)）和物質(zhì)結(jié)構(gòu)諸觀念的深刻變革，從而實(shí)現(xiàn)20世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)所提出的空間時(shí)間觀念的量子革命。

廣義相對(duì)論是經(jīng)典的相對(duì)論性引力場(chǎng)理論，量子力學(xué)是量子物理學(xué)的核心。凡是研究廣義相對(duì)論和量子力學(xué)相互結(jié)合的理論，就稱為量子引力理論，簡(jiǎn)稱量子引力。探討量子引力卓有成效的理論，主要有兩種形式。第一，是把廣義相對(duì)論進(jìn)行量子化，正則量子引力屬于此種。第二，是對(duì)一個(gè)不同于廣義相對(duì)論的經(jīng)典理論進(jìn)行量子化，而廣義相對(duì)論則作為它的低能極限，超弦／M理論則屬于這種。

圈(Loop)量子引力[2]是當(dāng)前正則量子引力的流行形式。正則量子引力是只有引力作用時(shí)的量子引力，和超弦／M理論相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)量子化手續(xù)于廣義相對(duì)論，而廣義相對(duì)論則寫(xiě)成正則的即Hamiltonian形式。正則量子引力根據(jù)歷史發(fā)展大體上可分為樸素量子引力和圈量子引力。粗略來(lái)說(shuō)，前者發(fā)生于1986年前，后者發(fā)生于1986年后。樸素量子引力由于存在著紫外發(fā)散的重正化困難，從而圈量子引力發(fā)展成為當(dāng)前正則量子引力的代表。

超弦／M理論的目的，在于提供己知四種作用即引力和強(qiáng)、弱、電作用統(tǒng)一的量子理論。理論的基本實(shí)體不是點(diǎn)粒子，而是1維弦、2維簡(jiǎn)單膜和多維brane（廣義膜）的延展性物質(zhì)客體。超弦是具有超對(duì)稱性的弦，它不意味著表示單個(gè)粒子或單種作用，而是通過(guò)弦的不同振動(dòng)模式表示整個(gè)粒子譜系列。

圈量子引力和超弦／M理論之外，當(dāng)代量子引力還有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓?fù)鋱?chǎng)論、扭量理論、非對(duì)易幾何等。

二、當(dāng)代量子引力研究進(jìn)展

我們主要給出超弦／M理論和圈量子引力研究的重大進(jìn)展。

1.超弦／M理論方面[3]

弦理論簡(jiǎn)稱弦論，雖然在20紀(jì)70年代中期，已經(jīng)知道其中自動(dòng)包含引力現(xiàn)象，但因存在一些困難，只是到80年代中期才取得突破性進(jìn)展。

1)80年代超弦理論

弦論發(fā)展可粗略分為早期弦理論（70年代）、超弦理論（80年代）和M理論（90年代）三個(gè)時(shí)期。我們從80年代超弦理論開(kāi)始，簡(jiǎn)述其研究進(jìn)展。

1981年，M·Green和J.Schwarz提出一種嶄新的超對(duì)稱弦理論，簡(jiǎn)稱超弦理論，認(rèn)為弦具有超對(duì)稱性質(zhì)，弦的特征長(zhǎng)度已不再是強(qiáng)子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。

1984年，Green和Schwarz證明[4]，當(dāng)規(guī)范群取為SO(32)時(shí)，超弦I型的楊－Mills反常消失，4粒子開(kāi)弦圈圖是有限的。

1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10維雜化弦概念，這種弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。雜化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)兩種。

同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]對(duì)10維雜化弦E[，8]×E[，8]的額外空間6維進(jìn)行緊致化，最重要的一類為Calabi－丘流形。但是這類流形總數(shù)多到數(shù)百萬(wàn)個(gè)，應(yīng)該根據(jù)什么原則來(lái)選取作為我們世界的C－丘流形，至今還不清楚，雖然近10多年來(lái)，這方面的努力從來(lái)未中斷過(guò)。

1986年，提出建立超弦協(xié)變場(chǎng)論問(wèn)題，促進(jìn)了對(duì)非微擾超弦理論的探討。在諸種探討方案中，以E.Witten的非對(duì)易幾何最為突出[7]。

同年，人們?cè)敿?xì)地研究了超弦唯象學(xué)，例如E[，6]以下如何破缺及相應(yīng)的物理學(xué)，對(duì)緊致空間已不限于C－丘流形，還包括軌形(Orbifold)、倍集空間等。

人們常把1984-86年期間對(duì)超弦研究的突破，稱為第一次超弦革命。在此期間建立了超弦的五種相互獨(dú)立的10維理論，而且是微擾的。它們是I型、IIA型、IIB型、雜化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。

2)90年代M理論

經(jīng)過(guò)80年代末期和90年代初期，對(duì)超弦理論的對(duì)偶性、鏡對(duì)稱及拓?fù)涓淖兊鹊难芯浚?995年五種超弦微擾理論的統(tǒng)一性問(wèn)題獲得重大突破，從此第二次超弦革命開(kāi)始出現(xiàn)。

1995年，Witten在南加州大學(xué)舉行的95年度弦會(huì)議上發(fā)表演講，點(diǎn)燃起第二次超弦革命。Witten根據(jù)諸種超弦間的對(duì)偶性及其在不同弦真空中的關(guān)聯(lián)，猜測(cè)存在某一個(gè)根本理論能夠把它們統(tǒng)一起來(lái)，這個(gè)根本理論Witten取名為M理論。這一年內(nèi)Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，給出ⅡA型弦和M理論間的關(guān)系[8]、I型弦和雜化SO(32)型弦間的關(guān)系、雜化弦E[，8]×E[，8]型和M理論間的關(guān)系等。

1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人認(rèn)識(shí)到D-branes的重要性。積極進(jìn)行D-branes動(dòng)力學(xué)研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe應(yīng)用D-brane思想，計(jì)算了黑洞這種極端情形的熵和面積關(guān)系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面積的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena對(duì)具有不同角動(dòng)量與電荷的黑洞所計(jì)算的結(jié)果指出，黑洞遵從量子力學(xué)的一般原理。G.Collins探討了量子黑洞信息損失問(wèn)題。

1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩陣弦理論，研究了M理論和矩陣模型間的聯(lián)系和區(qū)別。

同年，Maldacena提出AdS/CFT對(duì)偶性[11]，即一種Anti-de Sitter空間中的IIB型超弦及其邊界上的共形場(chǎng)論之間的對(duì)偶性假設(shè)，人們稱為Maldacena猜測(cè)。這個(gè)猜測(cè)對(duì)于我們世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking確立果殼中宇宙的思想，都有不少的啟示。

2.圈量子引力方面[12]

1)二十世紀(jì)80年代

1982年，印度物理學(xué)家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相繼發(fā)表兩篇文章，把廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程表述成簡(jiǎn)單而精致的形式。

1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，認(rèn)為該方程已經(jīng)表述了廣義相對(duì)論的核心內(nèi)容。一年后，他給出了廣義相對(duì)論新的流行形式，從而對(duì)于在Planck標(biāo)度的空間時(shí)間幾何量，可以進(jìn)行具體計(jì)算，并作出精確的數(shù)量性預(yù)言。這種表述是此后正則量子引力進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引進(jìn)經(jīng)典Ashtekar變量后，他們?cè)谌楣饣曳亲韵嘟磺樾蜗拢蟪隽苏齽t量子引力的WDW方程解。此后，他們又找到了即使在圈相交情況下的更多解。

1987年，由于Hamiltonian約束的Wilson圈解的發(fā)現(xiàn)，C.Revolli和Smolin引進(jìn)觀測(cè)量的經(jīng)典Possion代數(shù)的圈表示，并使微分同胚約束用紐結(jié)(knot)態(tài)完全解出。

1988年，V.Husain等人用紐結(jié)理論(knot theory)，研究了量子約束方程的精確解及諸解間的關(guān)系，從而認(rèn)為紐結(jié)理論支配引力場(chǎng)的物理量子態(tài)。同年，Witten引進(jìn)拓樸量子場(chǎng)論(TQFT)的概念。

2)二十世紀(jì)90年代

1990年，Rovelli和Smolin指出，對(duì)于在大尺度幾何近似變?yōu)槠街睍r(shí)態(tài)的研究，可以預(yù)言Planck尺度空間具有幾何斷續(xù)性。對(duì)于編織的這些態(tài)，在微觀很小尺度上具有“聚合物”的類似結(jié)構(gòu)，可以看作為J.Wheeler時(shí)空泡沫的形式化。

1993年，J.Iwasaki和Rovelli探討了量子引力中引力子的表示，引力子顯示為時(shí)空編織纖維的拓樸修正。

1994年，Rovelli和Smolin第一次計(jì)算了面積算子和體積算子的本征值[13]，得出它們的本征譜為斷續(xù)的重大結(jié)論。此后不久，物理學(xué)者曾用多種不同方法證明和推廣這個(gè)結(jié)論，指出在Planck標(biāo)度，空間面積和體積的本征譜，確實(shí)具有分立性。

1995年，Rovelli和Smolin利用自旋網(wǎng)絡(luò)基[14]，解決了關(guān)于用圈基所長(zhǎng)期存在的不完備性困難。此后不久，自旋網(wǎng)絡(luò)形式體系，便由J.Baez徹底闡明。

1996年，Rovelli應(yīng)用K.Krasnov觀念，從圈量子引力基本上導(dǎo)出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。

1998年，Smolin研究圈和弦間的相似性，開(kāi)始探討圈量子引力和弦論的統(tǒng)一問(wèn)題。

三、當(dāng)代量子引力理論主要成就

1.超弦／M理論方面

1)弦及brane概念的提出

廣義相對(duì)論中的奇性困難、量子場(chǎng)論中的紫外發(fā)散本質(zhì)、樸素量子引力中的重正化問(wèn)題，看來(lái)都起源于理論的純粹幾何的點(diǎn)模型。超弦理論提出輕子、夸克、規(guī)范粒子等微觀粒子都是延伸在空間的一個(gè)區(qū)域中，它們都是1維的廣延性物質(zhì)，類似于弦狀，其特征長(zhǎng)度為Planck長(zhǎng)度。M理論更推廣了弦的概念，認(rèn)為粒子類似于多維的brane，其線度大小為Planck長(zhǎng)度。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們把brane也稱作膜。超弦／M理論中，用有限大小的微觀粒子替代粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中純粹幾何的點(diǎn)粒子，這是極為重要且富有成效的革命性觀念。

2)五種微擾超弦理論

這五種超弦的不同在于未破缺的超對(duì)稱荷的數(shù)目和所具有的規(guī)范群。I型有N=1超對(duì)稱性，含有開(kāi)弦和閉弦，開(kāi)弦零模描述楊－Mills場(chǎng)，閉弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超對(duì)稱性，旋量為Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自動(dòng)無(wú)反常，只含有閉弦，零模描述N=2超引力。IIB型同樣有N=2超對(duì)稱性，具有手征性。雜化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦雜化而成，只包含可定向閉弦，有手征性和N=1超對(duì)稱性，可以描述引力及楊－Mills作用。

3)超弦唯象學(xué)

從唯象學(xué)角度來(lái)看，雜化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由緊致16維右旋坐標(biāo)場(chǎng)(26-10=16)而產(chǎn)生的，即由16維內(nèi)部空間緊致化而得到，也就是說(shuō)在緊致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理論。

但是迄今為止，物理學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)認(rèn)定我們的現(xiàn)實(shí)空間是三維的，時(shí)間是一維的，把四維時(shí)空(D=4)作為我們的現(xiàn)實(shí)時(shí)空。因此我們必須把10維時(shí)空緊致化得到低能有效四維理論，為此人們認(rèn)為從D=10維理論出發(fā)，通過(guò)緊致化有

M[10]M[4]×K

此中K為C－丘流形，此內(nèi)部緊致空間維數(shù)為10-4=6，M[4]為Minkowski空間，從而得到4維Minkowski空間低能有效理論。其重要結(jié)論有：

(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理論（M[10]中規(guī)范群為E[，8]×E[，8]）緊致化為D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超對(duì)稱理論。

(2)夸克和輕子的代數(shù)Ng完全由K流形的拓樸性質(zhì)決定：為Euler示性數(shù)χ，系拓樸不變量。

(3)對(duì)稱破缺問(wèn)題。已知超弦四維有效理論為N=1，規(guī)范群為E[，6]×E[，8]的超對(duì)稱楊—Mills理論，現(xiàn)實(shí)模型要求破缺。首先由第二個(gè)E[，8]進(jìn)行超對(duì)稱破缺，然后對(duì)大統(tǒng)一群E[，6]已進(jìn)行破缺，從而引力作用在E[，8]中，弱、電、強(qiáng)作用在E[，6]中，實(shí)現(xiàn)了四種作用的統(tǒng)一。

4)T和S′對(duì)偶性

盡管五種超弦理論在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)合上，取得了不少進(jìn)展，但是五種超弦理論則是相互獨(dú)立的，理論卻是微擾的。盡管在超弦唯象學(xué)中，原則上－丘流形K一旦固定下來(lái)，在D=4時(shí)空中所有零質(zhì)量費(fèi)米子和玻色子（包括Higgs粒子）就會(huì)被確定下來(lái)，但是－丘真空態(tài)總數(shù)則可多到數(shù)百萬(wàn)個(gè)，應(yīng)該根據(jù)什么原則來(lái)選取－丘真空態(tài)，目前還不清楚。T對(duì)偶性和S對(duì)偶性的提出，正是五種超弦理論融通的主要橋梁。

在M理論的孕育過(guò)程中，對(duì)偶性起了重要作用。弦論中存在著一種在大小緊致空間之間的對(duì)偶性。例如ⅡA型弦在某一半徑為R[，A]的圓周上緊致化和ⅡB型在另一半徑為R[，8]的圓周上緊致化，兩者是等效的，則有關(guān)系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是當(dāng)R[，A]從無(wú)窮大變到零時(shí)，R[，B]從零變到無(wú)窮大。這給出了ⅡA弦和ⅡB弦之間的聯(lián)系。兩種雜化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在類似聯(lián)系，盡管在技術(shù)性細(xì)節(jié)上有些差別，但本質(zhì)上卻是同樣的。

A.Sen證明，在超對(duì)稱理論中，必然存在著既帶電荷又帶磁荷的粒子。當(dāng)這一猜測(cè)推廣到弦論后，它被稱作為S對(duì)偶性。S對(duì)偶性是強(qiáng)耦合與弱耦合間的對(duì)稱性，由于耦合強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于膨脹子場(chǎng)，雜化弦SO(32)和I型弦可通過(guò)各自的膨脹子連系起來(lái)。

5)M理論和五種超弦、11維超引力間的聯(lián)系

M理論作為10維超弦理論的11維擴(kuò)展，包含了各種各樣維數(shù)的brane，弦和二維膜只是它的兩種特殊情況。M理論的最終目標(biāo)，是用一個(gè)單一理論來(lái)描述已知的四種作用。M理論成功的標(biāo)志，在于把量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的新理論框架中相容起來(lái)。

附圖

上面給出五種超弦理論、11維超引力和M理論相容的一個(gè)框架示意圖[16]，即M理論網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)揭示了五種超弦理論、11維超引力都是單一M理論的特殊情形。當(dāng)然至今M理論的具體形式仍未給出，它還處于初級(jí)階段。

6)推導(dǎo)量子黑洞的熵－面積公式。

在某些情形下，D-branes可以解釋成黑洞，或者說(shuō)是黑branes，其經(jīng)典意義是任何物質(zhì)（包括光在內(nèi)）都不能從中逃逸出的客體。于是開(kāi)弦可以看成是具有一部分隱藏在黑branes之內(nèi)的閉弦。Hawking認(rèn)為黑洞并不完全是黑的，它可以輻射出能量。黑洞有熵，熵是用量子態(tài)來(lái)衡量一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序程度。在M理論之前，如何計(jì)算黑洞量子態(tài)數(shù)目是沒(méi)有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，計(jì)算了黑－branes中的量子態(tài)數(shù)目，發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得的的熵－面積公式，和Hawking預(yù)言的精確一致，即Bekenstein-Hawking公式，這無(wú)疑是M理論的一個(gè)卓越成就。

對(duì)于具有不同角動(dòng)量和電荷的黑洞所計(jì)算結(jié)果指出，黑洞遵從量子力學(xué)的一般原理，這說(shuō)明黑洞和量子力學(xué)是十分融洽的。

2.圈量子引力方面

1)Hamiltonian約束的精確解。

圈量子引力驚人結(jié)果之一，是可以求出Hamiltonian約束的精確解。其關(guān)鍵在于Hamiltonian約束的作用量，只是在s－紐結(jié)的結(jié)點(diǎn)處不等于零。所以不具有結(jié)點(diǎn)的s－紐結(jié)，才是量子Einstein動(dòng)力學(xué)求出的物理態(tài)。但是這些解的物理詮釋，至今還是模糊不清的。

其它的多種解也已求得，特別是聯(lián)系連絡(luò)表示的陳－Simons項(xiàng)和圈表示中的Jones多項(xiàng)式解，J.Pullin已經(jīng)詳細(xì)研究過(guò)。Witten用圈變換把這兩種解聯(lián)系起來(lái)。

2)時(shí)間演化問(wèn)題

人們?cè)噲D通過(guò)求解Hamiltonian約束，獲得在概念上是很好定義的、并排除凍結(jié)時(shí)間形式來(lái)描述量子引力場(chǎng)的時(shí)間演化。一種選擇是研究和某些物質(zhì)變量相耦合的引力自由度隨時(shí)間演化，這種探討會(huì)導(dǎo)致物理Hamiltonian的試探性定義的建立，并在強(qiáng)耦合微擾展開(kāi)中，對(duì)S紐結(jié)態(tài)間的躍遷振幅逐級(jí)進(jìn)行考查。

3)楊－Mills理論的重正化問(wèn)題

T.Thiemann把含有費(fèi)米子圈的量子引力，探索性地推廣到楊－Mills理論進(jìn)行研究。他指出在量子Hamiltonian約束中，楊－Mills項(xiàng)可以嚴(yán)格形式給出定義。在這個(gè)探索中，紫外發(fā)散看來(lái)不再出現(xiàn)，從而強(qiáng)烈支持在量子引力中引進(jìn)自然切割，即可擺脫傳統(tǒng)量子場(chǎng)論的紫外發(fā)散困難。

4)面積和體積量度的斷續(xù)性

圈量子引力最著名的物理成果，是給出了在Planck標(biāo)度的空間幾何量具有分立性的論斷。例如面積

此中l(wèi)p是Planck長(zhǎng)度，j[，i]是第i個(gè)半整數(shù)。體積也有類似的量子化公式。

這個(gè)結(jié)論表明對(duì)應(yīng)于測(cè)量的幾何量算子，特別是面積算子和體積算子具有分立的本征值譜。根據(jù)量子力學(xué)，這意味著理論所預(yù)言的面積和體積的物理測(cè)量必定產(chǎn)生量子化的結(jié)果。由于最小的本征值數(shù)量級(jí)是Planck標(biāo)度，這說(shuō)明沒(méi)有任何途徑可以觀測(cè)到比Planck標(biāo)度更小的面積（～10[-66]厘米[2]）和體積（～10[-99]厘米[3]）。從此可見(jiàn)，空間由類似于諧振子振動(dòng)能量的量子所構(gòu)成，其幾何量本征譜具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

5)推導(dǎo)量子黑洞的熵－面積公式

已知Schwarzchild黑洞熵S和面積A的關(guān)系，是Bekenstein和Hawking所給出，其公式為：

附圖

這里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]為牛頓引力常量，c為光速。對(duì)這個(gè)關(guān)系式的深層理解和由物理本質(zhì)上加以推導(dǎo)，M理論已經(jīng)作過(guò)，現(xiàn)在我們看下圈量子引力的結(jié)果。

應(yīng)用圈量子引力，通過(guò)統(tǒng)計(jì)力學(xué)加以計(jì)算，Krasnov和Rovelli導(dǎo)出

附圖

此處γ為任意常數(shù)，β是實(shí)數(shù)(～1/4π)，顯然如果取γ＝β，則由式(3)即可得到式(2)。這就是說(shuō)，從圈量子引力所得出的黑洞熵－面積關(guān)系式，在相差一個(gè)常數(shù)值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面積公式是相容的。

Bekenstein-Hawking熵公式的推導(dǎo)，對(duì)圈量子引力理論是一個(gè)重大成功，盡管這個(gè)事實(shí)的精確含義目前還在議論，而且γ的意義也還不夠清楚。

四、量子引力理論的哲學(xué)反思

我們從空間和時(shí)間的斷續(xù)性、運(yùn)動(dòng)（相互作用）基本規(guī)律的統(tǒng)一性、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本單元的存在性三個(gè)方面進(jìn)行哲學(xué)探討。

1.空間和時(shí)間的斷續(xù)性

當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)的核心問(wèn)題，是在Planck標(biāo)度破除空間時(shí)間連續(xù)性的經(jīng)典觀念，而代之以斷續(xù)性的量子繪景。量子引力理論對(duì)空間分立性的揭示和論證，看來(lái)是最為成功的。

超弦／M理論認(rèn)為，我們世界是由弦和brane構(gòu)成的。根據(jù)弦論中給出的新的不確定性關(guān)系，弦必然有位置的模糊性，其線度存在一有限小值，弦、膜、或brane的線度是Planck長(zhǎng)度，從而一維空間是量子化的。由此推知，面積和體積也應(yīng)該是量子化的。二維面積量子的數(shù)量級(jí)為10[-66]厘米[2]，三維體積量子的數(shù)量級(jí)為10[-99]厘米[3]等。

對(duì)于圈量子引力，其最突出的物理成果是具體導(dǎo)出了計(jì)算面積和體積的量子化公式。粗略說(shuō)來(lái)，面積的數(shù)量級(jí)是Planck長(zhǎng)度lp的二次方，體積的數(shù)量級(jí)是lp的三次方。這就令人信服地論證了在Planck標(biāo)度，面積和體積具有斷續(xù)性或分立性，從而根本上否定了空間在微觀上為連續(xù)性的經(jīng)典觀念。

依據(jù)空間和時(shí)間量度的量子性，芝諾悖論就是不成立的，阿基里斯在理論上也完全可以追上在他前面的烏龜。類似的，《莊子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，萬(wàn)世不竭”這個(gè)論斷在很小尺度上顯然也是不成立的。古代哲學(xué)中這兩個(gè)難題的困人之處，從空間時(shí)間斷續(xù)性來(lái)看，是由于預(yù)先設(shè)定了空間和時(shí)間的度量，始終是連續(xù)變化的經(jīng)典性質(zhì)。實(shí)際上在微觀領(lǐng)域，空間和時(shí)間存在著不可分的基本單元。

2.運(yùn)動(dòng)（相互作用）基本規(guī)律的統(tǒng)一性

20世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)巨大成功之一，就是建立了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，理論上它是筑基于量子規(guī)范場(chǎng)論的。這個(gè)模型給出了夸克、輕子層次強(qiáng)、弱、電作用的SU(3)×SU(2)×U(1)規(guī)范群結(jié)構(gòu)，在一定程度上統(tǒng)一了強(qiáng)、弱、電三種相互作用的規(guī)律。但是它不含有引力作用。

超弦／M理論的探討，在于構(gòu)建包含引力在內(nèi)的四種作用統(tǒng)一的物理理論。傳遞不同相互作用的粒子如光子（電磁作用）、弱玻色子（弱作用）、膠子（強(qiáng)作用）和引力子（引力作用），對(duì)應(yīng)于弦的各種不同振動(dòng)模式，夸克、輕子層次粒子間的作用，就是弦間的相互作用。在Planck標(biāo)度，超弦／M理論是四種基本作用統(tǒng)一理論的最佳侯選者，也就是所說(shuō)的萬(wàn)物理論(Theory of everything)的最佳侯選者。

在Planck時(shí)期，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或四種作用基本規(guī)律的統(tǒng)一性，正是反映了我們宇宙在眾多復(fù)雜性中所顯現(xiàn)的一種基本簡(jiǎn)單性。

3.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基本單元的存在性[17]

世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)通常是有結(jié)構(gòu)的，但是物質(zhì)結(jié)構(gòu)在層次上是否具有基本單元，即德謨克利特式的“原子”是否存在？這是一個(gè)長(zhǎng)期反復(fù)爭(zhēng)論而又常新的課題。當(dāng)代幾種不同的量子引力，盡管對(duì)某些問(wèn)題存在著不同的見(jiàn)解，但是關(guān)于這個(gè)問(wèn)題從實(shí)質(zhì)上來(lái)看，卻給出了一致肯定的回答。

超弦／M理論認(rèn)為，構(gòu)成我們世界的物質(zhì)微觀基本單元是具有廣延性的弦和brane，并非所謂的只有位置沒(méi)有大小的數(shù)學(xué)抽象點(diǎn)粒子。粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子，都是弦或brane的激發(fā)。弦和brane的線度是有限短的Planck長(zhǎng)度，它們正是構(gòu)成我們世界的物質(zhì)基本單元，即德謨克利特式的“原子”，這是超弦／M理論為現(xiàn)今所有粒子提供的本體性統(tǒng)一。

圈量子引力給出了在Planck標(biāo)度面積和體積的量子化性質(zhì)，即斷續(xù)的本征值譜，面積和體積分別存在著最小值。由于在圈量子引力中，脫離引力場(chǎng)的背景空間是不存在的，而引子場(chǎng)是物質(zhì)的一種形態(tài)，因此脫離物質(zhì)的純粹空間也就是不存在的。空間體積和面積的不連續(xù)性和基本單元的存在，正是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的斷續(xù)性和基本單元的存在性的最有力論據(jù)。

總之，超弦／M理論和圈量子引力從不同的側(cè)面，對(duì)量子引力的本質(zhì)和規(guī)律作出了一定的揭示，它們?cè)赑lanck標(biāo)度領(lǐng)域一致地得出了空間量子化和物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基本單元存在的結(jié)論。這無(wú)疑是人們?cè)?0世紀(jì)末期對(duì)我們世界空間時(shí)間經(jīng)典觀念的重大突破，也是廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)合的成果；同時(shí)更是哲學(xué)上關(guān)于空間和時(shí)間是物質(zhì)存在的客觀形式，沒(méi)有無(wú)物質(zhì)的空間和時(shí)間，也沒(méi)有無(wú)空間和時(shí)間的物質(zhì)學(xué)說(shuō)的一曲凱歌！

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篇4

1.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)由兩段組成，即地面段和空間段。

1.1.1空間段空間段包括通信衛(wèi)星以及地面用于衛(wèi)星控制和監(jiān)測(cè)的設(shè)施，即衛(wèi)星控制中心，及其跟蹤、遙測(cè)和指令站，能源裝置等。

1.1.2地面段地面段包括所有的地球站，這些地球站通常通過(guò)一個(gè)地面網(wǎng)絡(luò)連接到終端用戶設(shè)備，或直接連接終端用戶設(shè)備。地球站的主要功能是將發(fā)射的信號(hào)傳送到衛(wèi)星，再?gòu)男l(wèi)星接收信號(hào)。地球站根據(jù)服務(wù)類型，大致可分為用戶站、關(guān)口站和服務(wù)站3類。

1.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作過(guò)程衛(wèi)星通信系統(tǒng)地球站中各個(gè)已調(diào)載波的發(fā)射或接收通路經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，可以組成多條單跳或雙跳的雙工或單工衛(wèi)星通信線路，整個(gè)通信系統(tǒng)的通信任務(wù)就是分別利用這些線路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單跳單工的衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行通信時(shí)，地面用戶發(fā)出的基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)地面通信網(wǎng)絡(luò)傳送到地球站。在地球站，通信設(shè)備對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理使其成為已調(diào)射頻載波后發(fā)送到衛(wèi)星。衛(wèi)星作為中繼站，接收此系統(tǒng)中所有地球站用上行頻率發(fā)來(lái)的已調(diào)射頻載波，然后進(jìn)行放大和變頻，用下行頻率發(fā)送到接收地球站。接收地球站對(duì)接收到的已調(diào)射頻載波進(jìn)行處理，解調(diào)出基帶信號(hào)，再通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶。為了避免上下行信號(hào)互相干擾，上下行頻率一般使用不同的頻譜，盡量保持足夠大的間隔，以增加收發(fā)信號(hào)的隔離度。

2衛(wèi)星通信所使用的頻率

衛(wèi)星通信所用的頻率大多是C頻段和Ku頻段，但是由于業(yè)務(wù)量急劇增加，這兩個(gè)頻段乃至1—10GHz的頻段都顯得過(guò)于擁擠，所以必須開(kāi)發(fā)更高的頻段。現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出Ka（26—40GHz）頻段，其帶寬是3—4GHz，遠(yuǎn)大于上述兩個(gè)頻段。

3衛(wèi)星通信的基本參數(shù)

3.1有效全向輻射功率：也稱等效全向輻射功率，其定義為發(fā)射機(jī)發(fā)出的功率與天線增益的乘積。

3.2噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度：噪聲系數(shù)，定義為接收機(jī)的輸入信噪比與輸出信噪比的比值，它用來(lái)表示接收機(jī)噪聲性能的好壞。根據(jù)噪聲理論，電子元器件內(nèi)部的電子熱運(yùn)動(dòng)和電子不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)都將產(chǎn)生噪聲，而且溫度越高，噪聲越大。所以接收機(jī)的噪聲可用等效噪聲溫度來(lái)衡量。等效噪聲溫度是假設(shè)接收機(jī)輸入端接一等效電阻，該電阻在一定溫度下與該系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)生的噪聲溫度相同的熱噪聲。

3.3載噪比：衛(wèi)星通信線路中的載波功率與噪聲功率之比，是決定衛(wèi)星通信線路性能的最基本的參數(shù)之一。

3.4地球站的品質(zhì)因數(shù)，定義為接收機(jī)天線增益與接收端系統(tǒng)噪聲溫度之比。

3.5衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度：表示衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的靈敏度，其基本含義是，為使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和工作，在其接收天線的單位面積上應(yīng)輸入的功率。

3.6門(mén)限載噪比：為保證用戶接收到的話音、圖像和數(shù)據(jù)的質(zhì)量達(dá)到一定要求，接收機(jī)所必須得到的最低載噪比，也是門(mén)限載噪比的含義。

4衛(wèi)星通信與互聯(lián)網(wǎng)

互聯(lián)網(wǎng)是全球最大的多媒體商用網(wǎng)絡(luò)、信息庫(kù)和數(shù)字媒體。互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使得所有信息內(nèi)容都在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)，特別是數(shù)字音視頻技術(shù)使得可以在互聯(lián)網(wǎng)上看電視聽(tīng)廣播[3]。由于衛(wèi)星通信具有三維無(wú)縫覆蓋能力、遠(yuǎn)程通信、廣播特性、按需分配帶寬，以及支持移動(dòng)性的能力，成為互聯(lián)網(wǎng)擺脫自身諸多問(wèn)題的一個(gè)重要途徑，也是向全球用戶提供寬帶綜合互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的最佳選擇[4]。基于衛(wèi)星的互聯(lián)網(wǎng)是衛(wèi)星直播、數(shù)字音視頻、互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合，作為一個(gè)開(kāi)放、寬頻、實(shí)時(shí)廣播的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以提供以下服務(wù)。

4.1寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，可根據(jù)使用者的需求，通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星線路回傳。

4.2多媒體服務(wù)，比如網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容投遞、內(nèi)容鏡像、緩存、數(shù)字電視、商務(wù)電視、流式音視頻、軟件分發(fā)(更新)、遠(yuǎn)程教學(xué)、信息商亭等。

4.3交互式應(yīng)用，如視頻點(diǎn)播、網(wǎng)上學(xué)習(xí)、網(wǎng)上游戲等。衛(wèi)星通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合能夠帶來(lái)很多益處，同時(shí)也應(yīng)注意到，衛(wèi)星系統(tǒng)和現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)地面基礎(chǔ)設(shè)施之間的結(jié)合存在著互操作性問(wèn)題，再設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)還存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

5衛(wèi)星通信與導(dǎo)航定位系統(tǒng)

該系統(tǒng)是以人造衛(wèi)星為導(dǎo)航臺(tái)的星基無(wú)線定位系統(tǒng)，其基本作用是向各類用戶和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確、連續(xù)的位置、速度和時(shí)間信息。目前該技術(shù)已基本取代無(wú)線電導(dǎo)航、天文測(cè)量和大地測(cè)量，成為普遍采用的導(dǎo)航定位技術(shù)。擁有此技術(shù)及能力，國(guó)家就會(huì)在政治、軍事和經(jīng)濟(jì)等諸多領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，因此世界各大國(guó)不惜花巨資發(fā)展這一技術(shù)。1958年美國(guó)為解決北極星核潛艇在深海航行和執(zhí)行任務(wù)中的精確定位問(wèn)題，開(kāi)始研究軍用導(dǎo)航衛(wèi)星，命名為“子午儀計(jì)劃”，從1960年起就取消了無(wú)線電導(dǎo)航，第二代導(dǎo)航系統(tǒng)即———GPS(GlobalPositioningSyitem)便應(yīng)運(yùn)而生。俄羅斯的GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)是繼GPS之后又一全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歐盟與歐空局也開(kāi)發(fā)了新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)———伽利略（Galileo）系統(tǒng)，習(xí)慣上稱其為3G（GPSGLONASSGalileo）系統(tǒng)。我國(guó)的導(dǎo)航定位技術(shù)始于GPS，從2000年10月開(kāi)始，我國(guó)發(fā)射了多顆導(dǎo)航衛(wèi)星，命名為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)已覆蓋我國(guó)及周邊地區(qū)，預(yù)計(jì)2020年前后覆蓋全球。

6衛(wèi)星與激光通信

衛(wèi)星與激光通信是利用激光光束作為信息載體在衛(wèi)星間或衛(wèi)星與地面間進(jìn)行通信。經(jīng)過(guò)多年探索，衛(wèi)星激光通信已取得突破性進(jìn)展，逐步成為開(kāi)發(fā)太空、利用廣闊的宇宙空間資源提供大容量、高數(shù)據(jù)率、低功耗通信的最佳方案，對(duì)于國(guó)防及商業(yè)應(yīng)用都具有極大的價(jià)值。其原理是信息電信號(hào)通過(guò)調(diào)制加載在光波上，通信雙方通過(guò)初定位和調(diào)整以及光束的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤建立起光通信鏈路，然后在真空和大氣中傳播信息。其組成有激光光源子系統(tǒng)、光發(fā)射/接收子系統(tǒng)、APT子系統(tǒng)和其他一些輔助系統(tǒng)，其工作過(guò)程如下：

6.1發(fā)射過(guò)程。使用不同的激光器，產(chǎn)生信號(hào)光和信標(biāo)光。經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)激光進(jìn)行光束準(zhǔn)直后，具備了合適的發(fā)射角，2束光由合束器合成1束光，然后經(jīng)分光片、精對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和天線發(fā)射出去。

6.2接收過(guò)程。接收到的光經(jīng)過(guò)天線和分光片后，信標(biāo)光一部分到達(dá)粗對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器，由粗對(duì)準(zhǔn)控制器控制和驅(qū)動(dòng)電路控制粗對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，完成粗對(duì)準(zhǔn)和捕獲；信標(biāo)光另一部分經(jīng)精對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、分光片、分束片到達(dá)精跟中蹤探測(cè)器，由精對(duì)準(zhǔn)控制器控制精對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，完成雙方的精確對(duì)準(zhǔn)和跟蹤。信號(hào)光由信號(hào)光探測(cè)器檢測(cè)。

7衛(wèi)星與量子通信

衛(wèi)星搭載量子通信技術(shù)，能夠使人們借助外太空的衛(wèi)星平臺(tái)，建立星地高效自由空間量子信道，實(shí)現(xiàn)量子保密通信、星地量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。我國(guó)擬在近期發(fā)射量子通信衛(wèi)星，在衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)用量子技術(shù)的能力將達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

7.1星地量子通信通過(guò)自動(dòng)跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)在高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)的地面站和衛(wèi)星終端之間建立高效穩(wěn)定的量子信道，地面站隨機(jī)發(fā)送H/V和+/-四種偏振狀態(tài)的單光子信號(hào)；接收端接收量子信號(hào)，并隨機(jī)選擇H/V或+/-基矢對(duì)單光子信號(hào)進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量到足夠的量子比特后，接收端將通過(guò)經(jīng)典信道通知發(fā)射端其每次測(cè)量所用的基矢，拋棄所用基矢不一致的測(cè)量結(jié)果；接收端再將基矢選擇一致的測(cè)量結(jié)果取一部分在經(jīng)典信道公布出來(lái)供發(fā)射端校驗(yàn)。通過(guò)這一過(guò)程就可以在星地之間建立安全的量子密鑰。

7.2星地糾纏分發(fā)將糾纏光源放在衛(wèi)星上，通過(guò)搭載在衛(wèi)星平臺(tái)上的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和自動(dòng)跟瞄系統(tǒng)同時(shí)與兩個(gè)地面站之間建立量子信道。將糾纏光子對(duì)的兩個(gè)光子分別發(fā)送給兩個(gè)地面站，兩站在滿足類空間隔條件下分別對(duì)糾纏光子對(duì)進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，觀測(cè)量子糾纏現(xiàn)象。

7.3星地量子隱形傳態(tài)地面量子信源產(chǎn)生一對(duì)糾纏光子，其中一個(gè)光子通過(guò)地面發(fā)射端傳輸給衛(wèi)星，另一個(gè)放入量子存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)起來(lái)。空間量子通信平臺(tái)將接收到的光子態(tài)和未知量子態(tài)進(jìn)行聯(lián)合Bell態(tài)測(cè)量，同時(shí)將測(cè)量結(jié)果通過(guò)經(jīng)典信道傳輸給地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)將另一個(gè)糾纏光子從量子存儲(chǔ)器中讀出來(lái)，并根據(jù)空間量子通信平臺(tái)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換，從而得到空間量子通信平臺(tái)的未知量子態(tài)。

篇5

【關(guān)鍵詞】微腔物理；半導(dǎo)體；應(yīng)用；探討

激光技術(shù)研制成功之前，自發(fā)式輻射發(fā)出光源廣泛應(yīng)用于人們生活及學(xué)習(xí)環(huán)境中。激光研發(fā)使用后受激輻射引起研究者廣泛關(guān)注，大量研究人員將精力投入其中進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。但隨時(shí)間推移，人們潛意識(shí)認(rèn)為自行發(fā)出輻射是原子處于激發(fā)狀態(tài)，其產(chǎn)生過(guò)程是一種無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)變的常規(guī)反應(yīng)，人們誤認(rèn)為這種自行發(fā)出的輻射激光是常規(guī)既定形式，其產(chǎn)生過(guò)程無(wú)法通過(guò)科學(xué)手段進(jìn)行轉(zhuǎn)變。現(xiàn)實(shí)中，自行發(fā)出輻射不是一種固定的物質(zhì)形態(tài)，而是在真空漲落過(guò)程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)變使得原子之間相互作用出現(xiàn)自然反應(yīng)[1]。假設(shè)在一個(gè)或者多個(gè)方向的尺度或者波長(zhǎng)數(shù)量相同的同一個(gè)微腔內(nèi)，放置一個(gè)以原子為劑量單位的物質(zhì)，其自行產(chǎn)生的輻射本質(zhì)并沒(méi)有發(fā)生變化，或因所處在既定空間而被控制發(fā)生本質(zhì)改變，通過(guò)研究，人們將這一現(xiàn)象稱之為“腔量子電動(dòng)力學(xué)”。

一、半導(dǎo)體微腔物理簡(jiǎn)介

隨著科學(xué)研究對(duì)微腔物理領(lǐng)域及微腔效應(yīng)不斷深入，微腔激光器、微腔結(jié)構(gòu)制作過(guò)程及相關(guān)性能研究成為國(guó)內(nèi)外研究焦點(diǎn)。微腔是又尺寸很小的諧振腔構(gòu)成，理想狀態(tài)下的微腔成正方形，次存是既定不變的。但是實(shí)際研究或者使用中，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)放寬，放寬尺寸后仍可在輻射光譜區(qū)內(nèi)得到同樣的作用方式。使用與目前飛速發(fā)展的未加工技術(shù)領(lǐng)域。1個(gè)既定微腔規(guī)定最少有1維的規(guī)格在光波長(zhǎng)的規(guī)定范圍級(jí)別內(nèi)。實(shí)際研發(fā)出的微腔激光器根據(jù)其使用功能，有效波長(zhǎng)范圍也可適當(dāng)調(diào)節(jié)，出現(xiàn)大于1個(gè)光波長(zhǎng)的情況。由此得出微腔涉及范圍僅為極少數(shù)原子或光子行為，對(duì)于微腔與原子之間產(chǎn)生作用的研究，能發(fā)現(xiàn)眾多宏觀體系行為與特征差異。微腔與原子之間的相互影響也因腔量子電動(dòng)力學(xué)研究成果更加容易解釋。微腔物理是一種具有獨(dú)特特點(diǎn)，內(nèi)容多樣，不僅有重要理論含義，又能成為高新科技研究新的出發(fā)點(diǎn)的交叉領(lǐng)域?qū)W科。不僅能根據(jù)微腔物理的開(kāi)發(fā)深入了解圍觀世界量子性能這類基礎(chǔ)性認(rèn)知，還可在最基本認(rèn)知的基礎(chǔ)上，對(duì)全新領(lǐng)域進(jìn)行研究探討，在今后新型技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生重要作用[2]。比如，微腔可通過(guò)改變自發(fā)輻射速率增加合成激射膜的發(fā)出量，甚至全部轉(zhuǎn)換成激射膜，成為無(wú)闌值激光器，這樣的轉(zhuǎn)變提成過(guò)程導(dǎo)致激光器閉值一個(gè)甚至幾個(gè)數(shù)量等級(jí)降低反應(yīng)，是帶寬數(shù)量級(jí)別得到增加，從而適應(yīng)高密度光束合成。微腔激光器以及微腔激光器a生的2維面陣所產(chǎn)生的光源，具有成本低，效率高且高密度可大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。在光學(xué)巨平行計(jì)算、傳輸及處理等方面產(chǎn)生不能取代的作用，使其不僅可在低功率光互聯(lián)、據(jù)平行等數(shù)字光學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的到應(yīng)用，在多頭存儲(chǔ)器、二維掃描、多信道光纖通信、激光打印及信息顯示等領(lǐng)域得到廣泛使用，成為一個(gè)國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)不斷進(jìn)步發(fā)展的基礎(chǔ)，為金鉤信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

二、半導(dǎo)體微腔物理的應(yīng)用

第一，半導(dǎo)體微腔物理的國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)應(yīng)用研發(fā)操作主要體現(xiàn)在微腔激光物理領(lǐng)域，比如使用速率方程對(duì)微腔激光器進(jìn)行研究，對(duì)其穩(wěn)定及瞬態(tài)特征進(jìn)行鑒定，另一方面，研究其在可飽和吸收狀態(tài)下，微腔激光器的自脈沖穩(wěn)定性能。實(shí)驗(yàn)中研究人員對(duì)垂直腔體內(nèi)進(jìn)行激光發(fā)射、圓盤(pán)形半導(dǎo)體內(nèi)進(jìn)行激光發(fā)射、玻璃微球或者有機(jī)物質(zhì)中產(chǎn)生的微腔反應(yīng)。根據(jù)需求以出現(xiàn)多種類型，不同品牌微腔激光器共同存在的現(xiàn)狀局面。這些設(shè)備因結(jié)構(gòu)，材料、波長(zhǎng)差異，其性能用途也不盡相同[3]。微腔激光器諧振腔小，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為垂直腔表面發(fā)射型、圓盤(pán)型和微球型。根據(jù)材料不同可分為有機(jī)聚合物、摻合稀土成分的玻璃或者晶體。微腔激光器發(fā)射波長(zhǎng)超出紅外線等可見(jiàn)光線范圍。各微腔部分點(diǎn)泵浦支持下，輸出不同性質(zhì)激光，以滿足各種需求。此外，國(guó)內(nèi)光學(xué)晶體研究領(lǐng)先于國(guó)際水平。國(guó)內(nèi)對(duì)于微腔物理研究尚在起步階段，研究人員培訓(xùn)，隊(duì)伍建設(shè)及實(shí)驗(yàn)室都在初步時(shí)期，由于具備國(guó)內(nèi)外最新設(shè)備，實(shí)驗(yàn)條件是目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件優(yōu)越，不僅配備多臺(tái)先進(jìn)設(shè)備，對(duì)于量子線及量子點(diǎn)等材質(zhì)也可自行制作。設(shè)備先進(jìn)化對(duì)于研究起到了推進(jìn)作用。當(dāng)然對(duì)于研究測(cè)定方面，也具備最新技術(shù)，對(duì)于瞬態(tài)光譜、激發(fā)狀態(tài)物理功能等測(cè)試也是相當(dāng)精準(zhǔn)的。

第二，半導(dǎo)體微腔物理的國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀。綜合微腔物理是實(shí)際中的意義及作用，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于這方面的研究也在不斷加強(qiáng)，縱觀國(guó)內(nèi)外大型國(guó)際會(huì)議關(guān)于微腔效應(yīng)的關(guān)注程度，微腔效應(yīng)的研發(fā)及微腔激光器、結(jié)構(gòu)及制造、性能等方面已成為國(guó)際研究焦點(diǎn)。因研究結(jié)果對(duì)自身科技推動(dòng)作用巨大，現(xiàn)有科學(xué)論據(jù)尚處于保密階段，國(guó)際將微腔激光物理作為研究重點(diǎn)，分別針對(duì)理論、實(shí)驗(yàn)兩個(gè)領(lǐng)域入手，對(duì)各種腔量子電動(dòng)學(xué)產(chǎn)生的效果進(jìn)行總結(jié)分析。目前垂直腔面激發(fā)微腔激光器已研發(fā)成功，具備優(yōu)越功能，在實(shí)際中使用。根據(jù)理論定位與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，成功研制出一種新型激子激光器，新型激光器是根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)效應(yīng)發(fā)生非平衡激子布局來(lái)實(shí)現(xiàn)的[4]。

綜上所述，近年來(lái)，科學(xué)研究領(lǐng)域成果層出不窮，不斷推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人們已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代。電子技術(shù)及光子技術(shù)是信息技術(shù)的基本組成。光子技術(shù)會(huì)在未來(lái)通信及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展中普遍應(yīng)用。根據(jù)微腔物理探究能夠促進(jìn)微腔激光器、光自學(xué)以及信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，并且推動(dòng)其他相關(guān)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，對(duì)光計(jì)算機(jī)、光纖通訊、信息顯示等光信息處理領(lǐng)域的發(fā)展有重要影響。

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