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2015年全国开放式分布与并行计算学术年会

作者：徐明刘广钟上海海事大学信息工程学院上海201306 同济大学计算机科学与技术系上海201804 上海海事大学信息工程学院上海201306

针对水声传感器网络低带宽、高延迟特性造成的空时不确定性以及网络状态不能充分观察的问题,提出一种基于部分可观测马尔可夫决策过程(POMDP)的水声传感器网络介质访问控制协议.该协议首先将每个传感器节点的链路质量和剩余能量划分为... 详细信息

针对水声传感器网络低带宽、高延迟特性造成的空时不确定性以及网络状态不能充分观察的问题,提出一种基于部分可观测马尔可夫决策过程(POMDP)的水声传感器网络介质访问控制协议.该协议首先将每个传感器节点的链路质量和剩余能量划分为多个离散等级来表达节点的状态信息.此后,接收节点通过信道状态观测和接入动作的历史信息对信道的占用概率进行预测,从而得出发送节点的信道最优调度策略;发送节点按照该策略中的调度序列在各自所分配的时隙内依次与接收节点进行通信,传输数据包.通信完成后,相关节点根据网络转移概率的统计量估计下一个时隙的状态.仿真实验表明,与传统的水声传感器网络介质访问控制协议相比,基于POMDP的介质访问控制协议可以提高数据包传输成功率和网络吞吐量,并且降低网络的能量消耗.

关键词：水声传感器网络部分可观测马尔可夫决策过程介质访问控制协议信道分配

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基于含时密度泛函理论的激发态方法发展

基于含时密度泛函理论的激发态方法发展

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作者：刘杰中国科学技术大学

学位级别：博士

在本论文中,我展示了我在攻读博士学位期间所做的一些工作。工作主要集中于基于含时密度泛函理论发展有效的理论方法去研究复杂分子或处于开放环境中的体系的激发态性质,例如力和力常数(激发态能量对核坐标的一阶和二阶导数),或者偶极... 详细信息

在本论文中,我展示了我在攻读博士学位期间所做的一些工作。工作主要集中于基于含时密度泛函理论发展有效的理论方法去研究复杂分子或处于开放环境中的体系的激发态性质,例如力和力常数(激发态能量对核坐标的一阶和二阶导数),或者偶极矩和静态极化率(激发态能量对电场的一阶和二阶导数)。通过发展有效的方法得到体系激发态的结构以及动力学性质,从理论上对有机分子,生物体系以及自然的或者人工的光合作用体系中的光化学和光物理过程给出合理的解释以及更深入的理解,这些对能源、环境科学以及光电器件的设计领域都非常重要。本论文的具体工作主要有以下几个方面：(1)基于TDDFT,发展了线性标度方法去解析计算激发态能量梯度,为利用TDDFT研究大分子的激发态结构和动力学提供了可能性。(2)发展了快速有效的计算方法去计算激发态能量对核和电场微扰的二阶导数,为研究复杂体系激发态的振动以及热力学性质,例如熵和自由能,以及红外和拉曼光谱的分析提供了有效的理论工具。(3)为考虑溶剂化效果,我们结合了TDDFT与连续介质模型(PCM),发展了基于PCM-TDDFT的理论计算方法去计算激发态能量对核和电场微扰的一、二阶导数,它为研究复杂体系在溶液环境下电子激发,结构弛豫以及激发态振动等性质提供了有效的理论工具。所有的方法都是基于Q-CHEM量子化学软件包发展的。其中,主要的研究成果如下： 1.从密度矩阵形式的运动方程出发,在非正交的Gaussian原子轨道基函数下发展了基于含时密度泛函理论的解析的激发态能量一阶导数的方法。类似于分子轨道基函数下解析一阶导数的方法,在原子轨道基函数下基于约化单电子密度矩阵重新得到了Z矢量方程。从而为人们应用密度矩阵的量子局域性以及避免在分子轨道和原子轨道基函数下矩阵转换,实现线性标度激发态算法提供了一种可能。 2.在含时密度泛函理论框架下,发展了解析激发态能量对核坐标二阶导数的方法。应用这种方法研究了一系列分子的激发态振动频率,与有限差分、单电子激发态的组态相互作用等理论方法得到的结果以及实验值做了比较,测试了方法的精度。同时通过对基态及激发态振动频率计算所需CPU计算时间的比较展示了激发态能量解析求导方法的计算效率。更进一步地我们比较了基于Tamm-Dancoff近似的TDDFT方法与full TDDFT在激发态频率计算上的差别,并确定了激发态频率计算标度因子。 3.结合溶剂的连续介质模型,在含时密度泛函理论的框架下,发展了快速有效的计算处于溶液中分子的激发态方法。通过对激发能,几何机构优化以及振动频率的计算证明了方法数值实现的正确性。接下来,这种方法用来分别研究了4-hydroxybenzylidene-2,3-dimethyl-imidazolinone (HBDI)(?)(?)9-Fluorenone分子的共振拉曼光谱和红外光谱。对上面发展的这些方法的大量测试以及实际应用显示了方法的正确性和有效性。可以期望这些方法将给激发态性质和动力学过程的研究提供一种非常有效的计算手段。

关键词：含时密度泛函理论解析导数线性标度激发态性质连续介质模型

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安全多方量子计算理论与应用研究

安全多方量子计算理论与应用研究

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作者：何立宝中国科学技术大学

学位级别：博士

安全多方计算是现代密码学的重要组成部分和热门研究领域,其主要目标是完成以下计算任务：在一个互不信任的分布式网络中,两个或多个用户能够在不泄露各自隐私数据的前提下合作计算某个约定函数并获得计算结果。安全多方计算在数据挖掘... 详细信息

安全多方计算是现代密码学的重要组成部分和热门研究领域,其主要目标是完成以下计算任务：在一个互不信任的分布式网络中,两个或多个用户能够在不泄露各自隐私数据的前提下合作计算某个约定函数并获得计算结果。安全多方计算在数据挖掘、科学计算、电子交易、信息检索以及计算几何等多个领域有广泛的应用前景。量子信息学是信息学与物理学的交叉科学,它将量子理论应用于通信、计算以及密码学等领域,构成量子通信、量子计算、量子密码术等三个重要分支。量子信息学在通信效率、运算速度以及安全性等方面均有优于传统信息学的表现。安全多方计算与量子信息学的相互融合产生了新兴的热门研究领域一安全多方量子计算。与经典环境下的安全多方计算协议相比,安全多方量子计算协议引入了量子信息技术的优异特性,所以其在健壮性、安全性以及通信效率等方面均有很大的提高,尤其是窃听检测方面,后者相对前者具有绝对的优势。本文在国家自然科学基金项目的支持下,开展了安全多方量子计算理论与应用方面的研究。本文的主要研究内容及相关创新点如下： 1.重新审视了安全双方量子计算的局限性,借助Yao模型并结合具体协议论证了标准模型下不存在无条件安全的比特承诺和茫然传送协议。 2.从通用协议和基础协议两个角度探讨量子安全函数计算,指出通用协议在双方计算环境中的局限性,并进而引入非串谋的第三方构建出一种安全实用的双方量子点积协议。此协议具有很强的扩展性,可以作为一般安全双方函数计算问题的通用解决方案。 3.借鉴经典环境下盲签名和多代理签名模型,提出一种安全高效的量子多代理盲签名协议。此协议基于量子纠缠和量子纠缠交换,实验上易于实现。 4.从密码分析角度探讨量子盲签名的安全性。针对WW09QBS协议提出一种有效的攻击方案,并进而论证了WW09QBS协议客观存在的安全缺陷一不具备签名的不可伪造性,最后对协议进行了改进。 5.从密码分析角度探讨量子密封拍卖的安全性。针对ZNZ10QA协议提出一种有效的攻击方案,并进而论证了ZNZ10QA协议客观存在的安全缺陷—不能抵抗多个投标者的合谋攻击,最后对协议进行了改进。

关键词：安全多方计算量子信息量子密码比特承诺茫然传送量子签名量子拍卖

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量子集成光学芯片器件的研究

量子集成光学芯片器件的研究

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作者：邹长铃中国科学技术大学

学位级别：博士

在传统的电子集成芯片领域,纳米加工技术、量子隧穿效应、功耗和散热等方面制约着基于电子芯片的信息技术的进一步发展。量子信息科学应运而生,基于量子态的叠加原理、量子不可克隆原理和量子精密测量、有望实现高效的量子计算、高速而... 详细信息

在传统的电子集成芯片领域,纳米加工技术、量子隧穿效应、功耗和散热等方面制约着基于电子芯片的信息技术的进一步发展。量子信息科学应运而生,基于量子态的叠加原理、量子不可克隆原理和量子精密测量、有望实现高效的量子计算、高速而安全的量子信息传输,并能够突破经典噪声和不确定性原理的限制实现更加精确的测量。经过近三十的努力,量子信息在很多物理体系中取得了卓有成效的进展,包括电子和空穴自旋、核自旋、光子、机械振子、超导约瑟芬结、原子和离子阱。其中,光子具有多重自由度、室温环境下的退相干小、信息传输速率高以及技术成熟等多方面的优势,因此人们已经在基于光子的量子态的量子信息处理方面取得了众多突破性的进展。然而,传统光学元件尺寸较大并且光路受到环境温度、气流和振动的影响非常大,限制了光子量子信息处理的进一步扩展。在集成光学芯片上,固态介质组成的光学元件和光路性能稳定、能耗更小可扩展性强,因而是光子量子信息处理的必然发展趋势。本论文致力于研究集成光学芯片上的量子信息处理。一方面,研究各种集成光学元件的基本性质,与实验结合设计各种新的器件,并开发新的材料和物理体系来提高器件的性能,从而实现对量子态的制备和操控。另外一方面,光的传播可以类比量子态的演化,因而赋予集成芯片的光学研究新的内涵和物理,可以利用集成光学芯片模拟量子模型或者基于量子力学原理设计新颖的集成光学元件。本论文具体的研究内容包括以下几个方面： 1.集成光学芯片器件基本性质集成光学芯片上最基本的组成部分是光子的载体,即波导和微谐振腔。波导可以传输光子,连接不同的集成器件;谐振腔可以局域光子,增强光子与物质的相互作用,基于两者可以实现各种不同功能的光学器件。我们研究小组深入研究了各种波导结构和回音壁模式微谐振腔的基本性质。结合过去几年我们小组的实验进展,本论文详细介绍了回音壁模式光学微腔的基本性质、实际的材料和制备方法。本人在理论上研究了回音壁模式的耦合模式理论,研究了其与近场波导的平行和垂直耦合,对实验中的回音壁模式的高效激发和收集提供理论支持。为了避免在低温腔内进行实验时对微腔近场操控的限制,本人还研究了非对称的回音壁模式微腔的方向性发射。首次给出高Q单向性发射的回音壁模式的基本原理,并基于此设计和优化了实用的方向性发射微腔。另外还首次给出远场激发回音壁模式微腔的自洽理论,为自由空间耦合高Q回音壁模式微腔提供理论指导。 2.集成芯片上光子与二能级体系相互作用二能级原子是最简单的量子体系,利用光子与其作用,可以实现单光子光源、原子媒介的光子光子相互作用以及光子媒介的原子原子相互作用,从而用于量子纠缠、量子态的制备和存储等应用。我们小组致力于实现固态量子点和微腔的强耦合实验,希望基于此构造固态量子信息处理器。因此,本人开展了这个方面的理论研究。在波导和回音壁模式微腔附近,由于局部的电磁场模式密度的改变会造成原子自发辐射速率的改变。基于此,我们提出利用纳米光纤和表面等离子体的复合结构,实现高效的单光子源。实验上已经观测到了回音壁模式腔对量子点荧光寿命的调制效应。我们提出了各种改进的实验方案来帮助解决在单个量子点和回音壁模式微腔的强耦合实验中遇到的一些困难。例如,通过用混杂有量子点的聚合物包裹微腔表面,可以实现更加高效和稳定的强耦合。 3.光与机械相互作用本人将机械振子这样一个新的元素引入到集成光学芯片上,从而实现更多实用的光学器件和量子信息处理。光机械作用的一个特点就是任意波长的光子携带的动量都可以转移到机械体系上,光与机械相互作用无需频率共振。本人的研究包括两个方面：(1)用经典的光力控制机械振子的运动从而实现对光路的调制。在集成芯片上,微纳结构的质量和弹性系数非常小而更容易变形,利用波导和微腔对光的束缚,可以在输入光能量很小的情况下调节机械振子的状态。利用这种光机械相互作用使得光与光间接地相互作用,可以实现相位和能量的调制器,具有全光特性和低功耗的优势。(2)利用简谐振子的量子态实现量子信息处理,包括量子纠缠和光子频率转换等。我们首次提出了一种室温下实现光机械量子纠缠的实验体系。该体系由一个高机械品质因子(Qm)的机械谐振子和高光学品质因子(Qo)的微盘腔组成,均由Si3N4材料制备,与其它光学集成器件兼容。在这个体系中,如果固定其他参数不变,纠缠只与温度和机械Qm的比值有关,也就是说Qm越高,量子纠缠就能在越高的温度下存在。机械体系其独有的性质有望在集成光学芯片量子信息处理中发挥重要的作用。 4.集成光学量子模拟利用集成光学芯片,可以构造特定的结构来模拟和类比其他物理体系,实现对某些量子物理问题的模拟研究。本人利用集成光学芯片模拟了量子开放体系,并研究了系统与环境相互作用的马尔科夫、非马尔科夫动力学过程。通过直接观测电磁场的能量分布和演化,可以直观的理解系统与环境相互作用的内

关键词：集成光学波导回音壁模式量子信息处理量子模拟腔量子电动力学光机械

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量子隐李雅普诺夫控制方法及相关应用研究

量子隐李雅普诺夫控制方法及相关应用研究

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作者：孟芳芳中国科学技术大学

学位级别：博士

完善的量子控制理论对于量子计算、原子物理、选键化学、量子光学、纳米材料、量子通信等领域的飞速发展具有重要的意义。在众多量子控制方法中,基于李雅普诺夫稳定性理论的量子控制方法的设计较简单,可以得到解析的控制律,且基于该控... 详细信息

完善的量子控制理论对于量子计算、原子物理、选键化学、量子光学、纳米材料、量子通信等领域的飞速发展具有重要的意义。在众多量子控制方法中,基于李雅普诺夫稳定性理论的量子控制方法的设计较简单,可以得到解析的控制律,且基于该控制方法的控制系统至少是稳定的,所以是一种比较常用的量子控制方法。在量子系统的特性及其控制的研究中,封闭量子系统的特性及其控制的研究是开放量子系统的特性及其控制的研究基础。从控制的角度看,对封闭量子系统的控制主要包括状态转移和轨迹跟踪两个方面。目前,为实现封闭量子系统的状态转移所采用的量子李雅普诺夫控制方法的研究主要集中在处于退化情况的量子系统。然而在实际中,很少有量子系统处于非退化情况,而大多数量子系统是处于退化情况。所以本论文主要研究的是采用隐李雅普诺夫控制方法来解决封闭量子系统退化情况下的任意两个态之间的完全状态转移控制问题,其中包括任意的本征态、叠加态和混合态。并研究量子控制在实际中的一个应用：相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)相邻能级的选择激发。首先,对于薛定谔方程,通过在控制律中引入隐函数微扰控制项和分别选取基于状态间距离、状态间偏差和虚拟力学量均值的隐函数李雅普诺夫函数解决了控制系统退化情况下从任意纯态初始态到任意本征态目标态的完全转移,也就是收敛性问题。又通过在控制律中引入常值扰动控制项解决了目标态为叠加态时的收敛性问题。并根据拉萨尔不变原理分别证明了在三种隐李雅普诺夫控制方法下控制系统的收敛性。分析了如何使收敛条件成立。通过数值仿真实验来验证所提出控制方法的正确性和有效性。并分析了三种隐函数李雅普诺夫函数的关系和三种隐李雅普诺夫控制方法的优缺点,对比三种控制方法的控制效果。第二,对于刘维尔方程,通过在控制律中引入隐函数微扰控制项,并选取基于虚拟力学量均值的隐函数李雅普诺夫函数解决了控制系统退化情况下从任意初始态到与内部哈密顿对易的目标态的收敛性问题。又通过在控制律中引入常值扰动控制项,解决了目标态为非对易与内部哈密顿的态时的收敛性问题。根据拉萨尔不变原理证明了基于该控制方法的控制系统的收敛性。分析了如何使收敛性条件得到满足,从而提出了便于设计的显式的虚拟力学量设计原则。通过几个数值仿真实验来验证所提出控制方法的正确性和有效性。第三,在实际的应用中,飞秒CARS用于探测物质能谱的灵敏度较高,被广泛应用到许多领域。飞秒CARS相邻能级的选择激发是CARS的一个重要的研究方向。目前实现CARS相邻能级选择激发的方法主要集中在实验上,分析和总结较少。本论文采用Silberberg提出的控制方法,在一系列参数调整实验的基础上,总结了各可调参数对选择激发效果的影响。并根据相关理论,定性分析了该方法的内部控制机理,分析了最佳可调参数能够实现相邻能级选择激发的原因,以及最佳可调参数的大致范围。从而总结出了实现相邻能级选择激发的参数调控方法。

关键词：隐李雅普诺夫控制封闭量子系统状态转移退化情况收敛性 CARS相邻能级选择激发

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基于纠缠光源的量子成像理论与实验研究

基于纠缠光源的量子成像理论与实验研究

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作者：郑名扬中国科学技术大学

学位级别：博士

量子成像自二十世纪九十年代被发现后,由于其新奇的非局域特性引发了物理学界极大的兴趣。量子成像是新兴的量子信息与成像光学的交叉前沿热点,在生命科学、信息技术、国防军事等领域有着广阔的应用前景。近年来可见光波段经典热光场的... 详细信息

量子成像自二十世纪九十年代被发现后,由于其新奇的非局域特性引发了物理学界极大的兴趣。量子成像是新兴的量子信息与成像光学的交叉前沿热点,在生命科学、信息技术、国防军事等领域有着广阔的应用前景。近年来可见光波段经典热光场的量子成像已有大量的研究工作并取得了重要的进展。另外,量子成像的研究一方面向着短波的方向推进,如基于X射线的量子成像;另一方面费米子的量子成像也吸引了大量的关注,如热中子、电子等。量子纠缠是存在于多子系量子系统中的一种奇妙现象,即对一个子系统的测量结果无法独立于对其他子系统的测量参数。以纠缠双光子为例,无论两个光子相距多远,它们都保持着特别的关联性,即当其中一个被操作而状态发生变化时,另一个也会即刻发生相应的状态变化。量子纠缠无论对于一些基本物理问题的检验,还是对于实际应用,如量子通信、量子计算,都有着极其重要的意义。自发参量下转换是制备纠缠双光子源最常用的手段,它利用非线性晶体的二阶非线性效应,可以产生极化纠缠、角动量纠缠、时间-能量纠缠。自发参量下转换过程中,满足能量守恒和动量守恒,因此产生的两个光子在时间和空间上有着一定的关联性质。经典光学成像空间分辨率受制于瑞利衍射极限,即受光学设备及波长限制。理论计算表明：在量子成像架构下,当使用N光子纠缠源时,成像的空间分辨率比起经典光学提高N倍。随着超高亮度多光子纠缠源制备技术的发展,多光子量子成像成为可能。本论文研究了纠缠双光子源的量子成像,从理论和实验上深入探讨了纠缠光源性质及成像架构对量子成像的影响。为将来三光子甚至四光子纠缠源量子成像实验进行相关理论及技术准备。论文的主要研究内容及创新点如下： 1.从理论上分析了纠缠光源特性对量子干涉成像的影响。对于自发参量下转换方法制备的纠缠光源,针对相位匹配提出并分析了两种数学模型。通过数值模拟发现对于实际量子成像所用非线性晶体,两种模型是等价的。 2.设计基于Ⅱ型非共线参量下转换纠缠光源的量子成像实验平台,包括量子纠缠光源的制备、数据采集系统以及量子成像架构。基于自发参量下转换双光子纠缠源,从实验上研究了补偿装置对量子几何成像的影响：分析了物体——光阑距离对量子干涉成像的影响;探索了泵浦光聚焦对量子几何成像的影响。 3.实验结果表明补偿系统对量子几何成像并无明显影响;在量子几何成像中,随着物体-光阑距离的增大,干涉图样对比度变大,成像质量有明显提高。当泵浦光被聚焦时,纠缠光子对的空间分布会因为聚焦而改变。

关键词：量子成像纠缠光源符合测量自发参量下转换泵浦光聚焦单光子探测器

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Dandelion:OpenStack云平台的快速部署机制

Dandelion:OpenStack云平台的快速部署机制

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2015年全国开放式分布与并行计算学术年会

作者：李立耀赵少卡王烨杨家海许华荣福建师范大学福清分校创新信息产业研究所福建福清350300 中国移动通信集团公司北京100033 福建师范大学福清分校创新信息产业研究所福建福清350300 中国移动通信集团公司北京100033 清华大学网络科学与网络空间研究院北京100084 厦门理工学院计算机科学与技术系福建厦门361024

提出了一种快速、自动部署OpenStack云平台的解决方案,以提高OpenStack的部署效率.该方案首先创建不同节点类型的镜像模板文件;接着根据节点类型(如网络节点、计算节点)将已制作好的镜像模板进行复制,并依照节点的属性(如IP地址、hostn... 详细信息

提出了一种快速、自动部署OpenStack云平台的解决方案,以提高OpenStack的部署效率.该方案首先创建不同节点类型的镜像模板文件;接着根据节点类型(如网络节点、计算节点)将已制作好的镜像模板进行复制,并依照节点的属性(如IP地址、hostname标识等)使用脚本自动修改配置文件,完成单个节点的部署;之后,利用相同的策略实现其他节点的快速部署.在部署的基础上,通过管理服务器提供的预启动执行环境(PXE)、动态主机配置协议(DHCP)及简单文件传输协议(TFTP)等网络服务挂载节点的镜像块文件,最终完成节点的启动.此外,建立了性能评价模型用于确定源镜像副本和存储服务器的最佳数量,以优化存储网络的拓扑结构.实验结果表明,无论是使用相同存储网络部署不同大小的云平台,还是使用不同大小的存储网络部署相同大小的云平台,与Cobbler、网络文件系统(NFS)等部署方案相比,所提解决方案大大减少了部署时间,提高了部署效率.

关键词：云计算平台网络架构节点部署流程设计拓扑结构

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利用弱测量技术优化开放系统中的量子关联动力学

利用弱测量技术优化开放系统中的量子关联动力学

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第五届全国计算原子与分子物理学术会议

作者：杜少将韩峰冯海冉夏云杰段德洋济宁学院物理与信息工程系山东省激光偏光与信息技术重点实验室曲阜师范大学物理工程学院

内容简介:对两种初始处于不同的贝尔型态的量子系统实施弱测量操作,使每个量子比特独立的在零温真空热库环境中演化。利用共生纠缠和量子失协度量方法研究马尔科夫和非马尔科夫热库环境中量子系统的量子关联动力学演化。结果发现在非马... 详细信息

内容简介:对两种初始处于不同的贝尔型态的量子系统实施弱测量操作,使每个量子比特独立的在零温真空热库环境中演化。利用共生纠缠和量子失协度量方法研究马尔科夫和非马尔科夫热库环境中量子系统的量子关联动力学演化。结果发现在非马尔科夫环境中,弱测量操作会对一种初态在初始演化阶段降低量子关联强度;在量子关联动力学演化过程中弱测量虽会降低量子失协关联强度但能够缩小量子纠缠猝死区域,且随弱测量强度的增加对纠缠猝死

关键词：弱测量演化过程量子系统纠缠猝死非马尔科夫技术优化

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基于Matlab的表面等离子体共振可视化界面仿真

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实验科学与技术 2014年第3期12卷 6-9页

作者：齐晓岩吕尊仁杨叶韩建刘书钢黑龙江大学电子工程学院哈尔滨150080 中国科学院半导体研究所北京100083 九州大学应用量子物理与核工程系长春理工大学空间光通信研究所长春130022

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是一种物理光学现象,由入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用而产生。基于SPR原理的传感技术在光学、化学、生物、医疗等领域得到了越来越广泛的应用。在SPR角度调制原理中,主要... 详细信息

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)是一种物理光学现象,由入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用而产生。基于SPR原理的传感技术在光学、化学、生物、医疗等领域得到了越来越广泛的应用。在SPR角度调制原理中,主要涉及两种方法:菲涅尔公式法和薄膜矩阵法。文中基于这两种理论方法,通过Matlab编程模拟出SPR角度扫描理论曲线,在相同参数下两种方法模拟出的曲线完全一致;并基于Matlab GUI编写一个用户可视化的SPR曲线模拟程序。

关键词：表面等离子体共振 Matlab软件计算机仿真图形用户界面

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镜质组大分子生烃结构演化及其对能垒控制机理

镜质组大分子生烃结构演化及其对能垒控制机理

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作者：李伍中国矿业大学

学位级别：博士

叠合盆地受多期构造叠加作用,导致煤系受热历史呈非连续的阶段性发展,引发煤中有机质二次生烃,需要开展创新性探索。本论文力求较全面地揭示和描述镜质组的二次生烃过程、迟滞性显现特征,从分子结构层面上解读二次生烃中存在的“能垒”... 详细信息

叠合盆地受多期构造叠加作用,导致煤系受热历史呈非连续的阶段性发展,引发煤中有机质二次生烃,需要开展创新性探索。本论文力求较全面地揭示和描述镜质组的二次生烃过程、迟滞性显现特征,从分子结构层面上解读二次生烃中存在的“能垒”机理和煤化作用机制,建立煤中镜质组二次生烃的动力学模型和参数,并进行地质外推。采用自然演化系列的腐植煤,精选出了不同热演化程度的镜质组。利用显微组分、镜质组反射率测定获取了煤岩学特征,利用工业分析和元素分析测定样品的工业指标和元素含量。进行了单组分的Rock-eval和真空玻璃管热解模拟实验,结合傅里叶红外光谱、X射线衍射和固体核磁共振等先进的分析测试技术进行了镜质组分子结构表征。利用Kinetic软件和化学反应动力学模型得到了镜质组二次生烃动力学参数。同时使用固体核磁共振、Materials Studio和Reaxff进行了镜质组大分子模型的分子模拟和量子化学计算。从大分子结构演化、有机质裂解生烃动力学角度,系统分析了镜质组的二次生烃相态、数量与大分子结构演化的关系,揭示了“能垒”机理。取得的成果和结论如下:(1)成功分离镜质组单组分,获取了不同煤级镜质组分离密度,得到高纯度的镜质组,分析了不同煤级镜质组煤岩特征和有机地球化学特征;(2)获取了不同煤级镜质组热模拟(10℃/h和30℃/h)的CH4,C2-5,总烃产率及湿度结果,得到了开放体系和封闭体系的动力学参数,建立了镜质组二次生烃动力学的数学模型;(3)首次提出了一套定量半定量结构表征体系,得到了系列谱图,利于不同煤级镜质组谱图结构参数解析,计算出不同煤级结构参数。首次揭示了不同煤级镜质组结构指标体系,并结合该定量半定量结构表征体系,评价了镜质组分子结构演化进程,提出了镜质组结构演化模式图;(4)基于光谱结构参数和元素分布,选择合适的力场,进行分子动力模拟和量子化学计算,获取了不同成熟度镜质组单分子结构的三维大分子模型和分子物理化学属性;(5)首次揭示了镜质组二次生烃过程中“能垒”的分子结构控制机理,给出了镜质组二次生烃与结构演化的耦合机理,从镜质组分子结构演化角度解释了煤化作用机理。研究成果有助于沉积有机质二次生烃理论向深层次发展,丰富煤化作用机理;而且为深部煤层气、页岩气等非常规天然气的勘探开发提供理论基础。

关键词：镜质组能垒机理大分子结构二次生烃动力学参数结构演化

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