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Vol. 64, No. 14 (2015)

2015年07月20日
总论 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学
总论
基于生命期模型的无线传感器网络信道分配博弈算法
郝晓辰, 姚宁, 汝小月, 刘伟静, 辛敏洁
2015, 64 (14): 140101. doi: 10.7498/aps.64.140101
摘要 +
针对无线传感器网络中节点因干扰过大导致重传能耗增加, 进而节点过早失效、网络生命期缩短的问题, 根据网络拓扑信息和路由信息设计节点的负载模型, 从而构建了节点的生命期模型. 然后利用博弈论将路径增益、交叉干扰和节点生命期等性能参数融入到效益函数中, 构建信道分配博弈模型. 理论分析证明该博弈模型存在纳什均衡. 进而运用最佳回应策略, 在所构建的信道分配博弈模型的基础上, 设计了一种优化网络生命期的抗干扰信道分配算法. 该算法使节点在选择信道时避免与网络中交叉干扰较大的节点和生命期较小的节点使用相同信道, 实现干扰小、能耗低且均衡的信道选择. 理论分析与仿真结果证明该算法最终能够快速地收敛到纳什均衡, 且具有较小的信息复杂度, 从而减小算法本身的通信能耗. 同时, 该算法具有良好的抗干扰性和信道均衡性, 能够有效地延长网络生命期.
水平温差对环形浅液池内Marangoni-热毛细对流的影响
王飞, 彭岚, 张全壮, 刘佳
2015, 64 (14): 140202. doi: 10.7498/aps.64.140202
摘要 +
双向温差驱动下的Marangoni-热毛细对流在许多工程技术领域具有重要作用, 但是, 已有的大部分研究集中于单向温差作用下的流动. 因此, 采用数值模拟的方法研究了水平温差对双向温差驱动下的环形浅液池内Marangoni-热毛细对流的影响. 在一个给定的顶部换热条件下, 确定了不同水平温差作用下流动由轴对称稳态流动向三维非稳态流动转变的临界底部热流密度. 结果表明, 水平温差使得Marangoni-热毛细对流不稳定; 随着水平温差的持续增强, 稳态流动转变为一种规律的振荡流动, 最终变得混乱; 发现两种新的状态演化过程; 确定了水平温差和垂直温差在共同驱动流体运动时各自发挥的作用; 随着水平温差的增强, 最初出现在中间区域的最高表面温度不断向热壁移动, 在此过程中, 内壁附近的流动增强, 而外壁附近的流动减弱.
基于轨道角动量的多自由度W态纠缠系统
范榕华, 郭邦红, 郭建军, 张程贤, 张文杰, 杜戈
2015, 64 (14): 140301. doi: 10.7498/aps.64.140301
摘要 +
提出了一种制备三光子纠缠W态的方案, 该方案利用携带轨道角动量为lħ的光子(其中l可取(-∞, +∞)的任意整数)可构成无穷维向量空间的特性, 采用两种类型的参量下转换, 产生轨道角动量-自旋角动量纠缠的两对光子和一对偏振纠缠光子, 通过纠缠交换制备三光子多自由度的W态, 实现三光子体系纠缠的高维度、大容量量子信息处理. 方案采用q-plate相位光学器件和单模光纤等器件制备两个不同自由度(轨道角动量与偏振)混合的W态, 并利用计算机全息相位图改进方案制备三个不同自由度(轨道角动量、线动量和偏振)混合的W态. 本方案可稳定产生两种等概率互为对称的W态, 具有高维度、强纠缠特性与抗比特丢失能力, 信息量达log2m+2比特(m为l的可取值个数), 有望实现可扩容量子比特的安全通信.
非对易相空间中谐振子体系热力学性质的探讨
米尔阿里木江, 艾力, 买买提热夏提, 买买提, 亚森江, 吾甫尔
2015, 64 (14): 140201. doi: 10.7498/aps.64.140201
摘要 +
2000年以来, 有关非对易空间的各种物理问题一直是研究的热点, 并在量子力学、场论、凝聚态物理、天体物理等各领域中已被广泛地探讨. 采用统计物理方法讨论非对易效应对谐振子体系热力学性质的影响. 先以对易相空间中确定二维和三维谐振子的配分函数求出谐振子体系的热力学函数; 非对易相空间中的坐标和动量通过坐标-坐标和动量-动量之间的线性变换而以对易相空间中的坐标和动量来表示; 最终以非对易相空间中求出配分函数来讨论非对易效应对谐振子体系热力学性质的影响. 结果显示, 在非对易相空间中谐振子体系的配分函数和熵表达式均包含因非对易引起的修正项. 从分析结果得出如下结论: 非对易效应对谐振子的配分函数和熵函数等微观状态函数有一定的影响, 但对谐振子体系的内能、热容量等宏观热力学函数没有影响. 研究结果只是对应于满足玻尔兹曼统计的经典体系, 对于满足费米-狄拉克和玻色-爱因斯坦统计的量子体系需进一步推广研究.
一种基于非基因信息的免疫记忆优化算法
宋丹, 樊晓平, 刘钟理
2015, 64 (14): 140203. doi: 10.7498/aps.64.140203
摘要 +
为提高人工免疫优化算法的优化能力, 将非基因信息的记忆机制引入智能算法, 提出了一种基于非基因信息的免疫记忆优化算法. 算法通过对先验知识(非基因信息)的短期记忆并指导后续进化, 降低盲目搜索和重复搜索, 增加了搜索的智能性和有效性. 结合标准测试函数在高维下的仿真实验表明, 与其他智能算法相比, 新算法在收敛速度、收敛精度和全局收敛性方面均优于对比算法. 此外, 在超高维下的仿真结果表明新算法具有在大规模维度解空间中的全局寻优能力.
利用量子相干性判定开放二能级系统中非马尔可夫性
贺志, 李莉, 姚春梅, 李艳
2015, 64 (14): 140302. doi: 10.7498/aps.64.140302
摘要 +
从量子相干性包括l1 norm相干性和量子相对熵相干性的角度建立了判定开放量子系统中非马尔可夫过程的方法, 并给出了相应的判别条件. 作为它们的具体应用, 研究了一个两能级系统分别经历相位衰减通道、 随机幺正通道和振幅耗散通道作用时对应的非马尔可夫过程发生必须满足的条件. 对于三种通道模型, 得到了l1 norm相干性对系统任意态非马尔可夫过程发生的判别条件, 并发现在相位衰减通道和振幅耗散通道中其非马尔可夫过程发生 的条件与用其他方式如信息回流、可分性和量子互熵给出的条件是相同的, 而在随机幺正通道中给出了一个新的且不完全等价于基于信息回流和可分性对应的条件. 至于量子相对熵相干性, 在相位衰减通道中得到了对系统任意态的非马尔可夫过程发生的具体条件, 并发现该条件也等同于基于信息回流、可分性和量子互熵给出的条件. 而在随机幺正通道和振幅耗散通道中得到了系统最大相干态对应的非马尔可夫过程发生的条件.
基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配研究
孙颖, 赵尚弘, 东晨
2015, 64 (14): 140304. doi: 10.7498/aps.64.140304
摘要 +
针对量子中继器短时间内难以应用于长距离量子密钥分配系统的问题, 提出了基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配协议, 分析了其密钥生成率与存储效率、信道传输效率和安全传输距离等参数间的关系, 研究了该协议中量子存储单元的退相干效应对最终密钥生成率的影响, 比较了经典测量设备无关量子密钥分配协议和基于量子存储的测量设备无关量子密钥分配协议的密钥生成率与安全传输距离的关系. 仿真结果表明, 添加量子存储单元后, 协议的安全传输距离由无量子存储的216 km增加至500 km, 且量子存储退相干效应带来的误码对最终的密钥生成率影响较小. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率, 为实用量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.
垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器的三维光学建模
李丹, 张宝龙, 郭海成
2015, 64 (14): 140701. doi: 10.7498/aps.64.140701
摘要 +
针对垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件中的微型彩色像素建立了三维光学模型. 首先, 对彩色液晶器件的机电特性进行了分析; 其次, 利用扩展琼斯矩阵计算出器件的光反射率; 最后, 采用标准RGB协议将所研究的垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件中各像素点的光反射特性还原成彩色图像. 用上述过程所建立的三维光学模型进行了垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件的光学特性研究, 并与实验数据进行了比较. 比较结果显示, 模拟得到的垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件的光学特性与实验结果非常符合.
基于声光滤光和液晶相位调谐的高光谱全偏振成像新技术
李克武, 王志斌, 杨常青, 张瑞, 王耀利, 宋雁鹏
2015, 64 (14): 140702. doi: 10.7498/aps.64.140702
摘要 +
为了获取高光谱分辨率、高空间分辨率、高偏振精度、高信噪比和稳定性好的全部Stokes参量光谱图像, 考虑到声光可调谐滤光器(acousto-optical tunable filter, AOTF)的±1级衍射光的正交特性, 提出用一个AOTF滤光, 一个液晶可变延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)进行相位调制和两个CCD相机分别对±1级衍射光成像的高光谱全偏振成像新技术. 从所采用的光学元件的穆勒矩阵出发, 阐述了该技术的基本工作原理; 理论分析表明, LCVR不但不会影响到第一个Stokes参量的探测精度, 而且后3个Stokes参量的相对误差分别优于0.064%, 0.31%和3.97%; 利用原理样机获