量子科學應用精選(九篇)

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第1篇：量子科學應用范文

關鍵詞：項目教學法；中職教育；電子測量儀表與應用

職業學校是培養高素質專門技術人才的基地，肩負著向特定的行業和崗位培養合格的操作技能型人才的使命。現代科學技術的迅速發展，促使社會體系、經濟體系和教育體系不斷地變化，社會對高素質技術人才的需要也在變化，現代社會要求人的能力有三個方面：專業能力、社會能力和方法能力。社會能力與方法能力是學生適應社會的能力，要培養學生這種能力，教師就應改變傳統教學方法，以適應培養學生增強社會能力與方法能力的要求。

一、改變傳統教育模式實現職業教學上的創新

我國傳統職業教育模式的教學目標是向學生傳授系統的文化基礎知識和專業基礎知識，以知識為本位，強調學科知識的科學性與系統性，教學上注重新舊知識之間的聯系，重視識記，但忽略了對學生能力和創造性的培養。這與當今社會強調實用技能，強調知識創新等素質教育要求不相符，難以適應社會的發展需要，因而對傳統教育模式進行改革迫在眉睫。

項目教學法是從德國引進的一種全新的教學方法，重點強調對人的關鍵能力的培養。項目教學法注重培養學生的分析能力、團結協作能力、綜合概括能力和動手能力，極大地拓展了學生思考問題的深度、廣度，讓學生較早地接觸到工作中遇到的問題，并運用已有的知識解決它，對技校學生來說很有針對性。目前，項目教學法已逐漸取代傳統教學中視理論為基礎的教學模式，成為職業學校多數教師探索追求的新領域。

二、項目教學法在電子測量儀器與應用課程中的實際應用

電子測量儀器與應用作為一門電子專業的基本技能課，要求學生掌握電子儀器儀表基本理論，掌握電子儀器儀表的正確使用方法，掌握電路測量的基本技能和相關技術。課程強調理論與實踐掌握相結合，實踐性強，很適合采用項目教學法進行教學。

由于諸多原因，目前中職業學校學生普遍認為電子測量儀器與應用課的理論知識較抽象，電路原理難懂。對教材中各種單元電路在實際中有何用途，如何應用所學的知識解決生產和生活的一些問題，學生更是感到茫然，往往產生想學又怕學的矛盾心理。針對這種現狀，教學中，教師應想方設法激發學生的學習興趣，改變教學方法，處理好理論教學與實踐教學的關系，盡可能少講深奧的電路理論，多講實用儀器的應用，多給學生提供動手機會。

項目設置及任務分解表

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1.確定項目任務

項目教學法的課前準備工作是教學法中的一個重要環節，讓學生分組查、找相關資料，確定項目的目標和任務，充分發揮他們的智力。這樣學生成了教學中的主角，而教師則轉換為教學的引導者。

（1）項目教學設計原則。由傳統以教師為中心的教學變為以學生為中心的教學；由以課本為中心轉變為以“項目”為中心；由以課堂為中心轉變為以情景為中心。

（2）項目的選取標準。該項目可用于學習特定的教學內容，具有一定的實用價值；與企業實際生產過程或現實商業活動有直接的關系；學生有獨立進行計劃工作的機會，可以自行組織、安排學習行為；有明確而具體的成果展示；學習結束時，師生共同評價項目工作成果以及工作學習的方法。

考慮到萬用表和雙蹤示波器是電工電子的常用常見儀器，學生必須掌握其用法，因此，在電子測量儀表與應用項目內容的選取中，選擇這兩個項目作為教學重點。為了更好地學習電子線路專業課，又選了元器件的識別和信號源兩個項目。

2.制定計劃

完成實用性項目的過程，學生更能認識到這門課程的作用，加深對這門課程應用前景的了解。根據電子測量儀表與應用課程的特點和學生認知規律，教師應由簡到難設計出項目，每個項目再分解成具體的任務鏈。學生通過學習這些項目，不斷練習電子測量儀表儀器的基本操作，激發學生的學習興趣。

3.實施計劃

將電子測量儀表與應用課程的教學分成若干項目，再將每個項目分成多個任務，這樣很容易分解重點和難點，便于學生學習掌握知識與技能。在教學過程中，要鼓勵學生克服思維定式，大膽猜想、判斷，形成創新能力。

（1）上好緒論課，作好準備。在初學習時，要讓學生知道學習方法，實訓報告最終要讓學生自己完成。在開學初，安排幾節緒論課，說明本課程的教學內容，讓學生了解大致的學習任務，知道重點項目是萬用表和雙蹤示波器。

（2）先認識，再動手，后理論。學習第一個項目時，在實訓室中，讓每個小組領一個萬用表。先讓學生認識萬用表，知曉面板上各部分的作用，再進行簡單的應用，激發學生的學習興趣。然后，課堂上進行相關理論的學習。教師可再演示萬用表的操作過程，結合理論講解，然后找幾名學生現場演示，教師及時指出學生操作中遇到的各種問題。同時設計幾個問題，讓學生邊思考邊現場解決。在實訓時，教師應巡回指導，及時發現和解決學生遇到的問題，對典型問題或錯誤，要向全體學生進行講解。

4.檢查評估

當某一項目任務完成后，一定要及時對學生的學習情況進行總結和評價。一般情況下可分三級來考核，第一級可由教師對小組項目情況評定，第二級是由小組成員根據各組員對小組的貢獻情況互評，第三級由學生本人進行自評，綜合三級評定來確定每一個成員的成績。讓學生及時寫出實訓報告和實訓體會，引導學生對所做所學的內容進行歸納總結，找出不足。

總之，學生完成這些項目后，基本掌握了常用測量儀表的原理和使用，為后續學習電子技術等專業技能課，也為今后在工作中繼續學習打下基礎。

參考文獻：

[1]郭曉.項目教學在外貿單證課程中的應用[J].中國職業技術教育，2008，（04）.

[2]朱麗梅.項目教學活動的基本特征[J].教育導刊，2002，（10）.

第2篇：量子科學應用范文

【關鍵詞】案例引導；任務驅動；教學

《電子測量技術與儀器》是一門注重理論性、應用性及綜合性很強的課程。課程內容包括測量誤差及誤差分析、常規儀器的工作原理及儀器操作使用。除了學習和掌握必要的理論知識外，更重要的是能掌握各種電子測量儀器的選擇原則以及使用方法。但我們一般的教材理論部分較多，具體測量方法特別實例分析、實訓項目等內容介紹較少，教學也相對枯燥，學生的學習熱情不高，學習效果不佳，所以需要更多的實踐課程，利用案引導和任務驅動教學，更好地學習《電子測量技術與儀器》。

1.案例引導和任務驅動教學的應用

1.1 案例引導

20世紀初，哈佛大學創造了案例教學法。就是圍繞一定培訓的目的把實際中真實的情景加以典型化處理，形成供學員思考分析和決斷的案例（通常為書面形式），通過獨立研究和相互討論的方式。來提高學員的分析問題和解決問題的能力的一種方法。

以往在講解電子測量基本儀器的原理時，教師按課程的理論體系闡述知識點，學生聽老師講解，適當時候教師提問。這樣課堂氣氛沉悶，不利于調動學生學習積極性。采用案例引導教學法有利于改變這種狀況。例如講解頻率測量這一章節，教師可先拿教師自己或上一屆學生設計的一個簡易數字頻率計向學生演示，介紹其功能和設計過程，再介紹其基本工作原理，這樣學生的積極性被有效地調動起來，學習興趣大增。講完后，再讓學生思考這個作品還存在什么問題，或者還可以采用什么新的方案，并及時布置與之相關的研究性學習任務，以小組為單位進行學習交流與研究。在這個過程中每個學生根據興趣選擇一個內容完成開學時布置的小制作及小論文。上交作品或小論文時對學生進行面試，以避免抄襲現象。另外，教師在平時的教學科研工作過程中要注意收集與電子測量相關的小產品，充實到案例教學中。這種教學方法對理論基礎相對較差的學生幫助也很大，其動手能力、應用能力可得到較好的鍛煉。案例引導應著眼于學生正確和熟練地使用儀器這一教學目標，圍繞這一主線展開討論。對于電子測量儀器，主要強調其基本組成與整機工作原理，不對整機電路作較多的討論。教學中的儀器內容及選型注意與當前生產、科研實踐相聯系，使其具有一定的代表性。在介紹典型儀器產品時，把儀器的面板構成和原理框圖相聯系，有利于學生把所學的理論知識與實踐相結合。

不過需要注意的是：（1）案例的來源往往不能滿足培訓的需要。研究和編制一個好的案例，需要較長時間。同時，編寫一個有效的案例需要有技能和經驗。因此，案例可能不適合現實情況的需要。（2）案例法需要較多的培訓時間，對教師和學員的要求也比較高。在案例引導的過程中建議：1）案例討論中盡量摒棄主觀的成分，教師要掌握會場，引導討論方向，要注意培養能力，不要走過場。2）案例教學耗時較多，因而案例選擇要精當，開始時組織案例教學要適度。3）學生一般都具有實踐經驗，不必擔心討論不起來，但一定要有理論知識作底襯，即案例教學一定要在理論學習的基礎上進行。

1.2 任務驅動教學

任務驅動教學就是在學習信息技術的過程中，學生在教師的幫助下，圍繞共同的任務活動中心，在問題動機的驅動下，通過對學習資源的積極主動應用，進行自主探索和互動協作的學習，引導學生產生一種學習實踐活動。它要求“任務”的目標性和教學情境的創建。使學生帶著真實的任務在探索中學習。學生獲得成就感，激發他們的求知欲望，形成感知心智活動的良性循環，從而培養出獨立探索、進取的自學能力。

把課堂搬到實驗室，針對具體的測量儀器來介紹工作原理及電路組成，同時觀察實驗效果。鼓勵講授理論的教師同時承擔實驗教學，此教學形式的改進能幫助教師拓展知識結構，理論教師通過實驗課程指導，能深刻體會實驗對理論教學的重要促進作用，提升教師自身教學和工程實踐能力。令學生學生能夠獨立設計測量方案、熟練運用電子儀器、利用已學理論知識分析測量結果。通過任務驅動教學讓學生充分掌握以下幾點：（1）了解主要電子技術中如電壓、電流、頻率、元器件參數、阻抗、噪聲等物理量的測量原理；（2）了解電壓表、信號發生器、電子示波器、掃頻儀、邏輯分析儀等電子測量儀器的工作原理并能熟練操作和使用這些測量儀器；（3）針對具體的物理量的測量，能夠設計出合理的測量方案、正確操作測量儀器、并對測量結果能科學分析。

在儀器的新技術方面，我們建立了虛擬儀器實驗室。通過Virt ualBench 等軟件在教學中應用，使學生認識到在虛擬儀器中，一臺計算機可當作多臺儀器使用，“軟件即儀器”；還可以根據自己的需要，應用Lab VIEW 等圖形化編程軟件編制軟件，使計算機變成自己所需要的儀器。這樣，大大地擴寬了學生的視野，提高他們的學習興趣，也培養了他們的創新能力。

任務驅動教學需要注意的是：（1）教學進度不易把握。每一組的探究程度和進度教師很難把握，實訓結束時，有的組提前完成，有的組不能完成，影響效果。所以后需采取一些措施，要既能保證探究效果，又不影響進度。（2）課堂管理待改進。探究性學習法的課堂更為生動，這也導致個別學生干擾他人。采取措施在行動上約束學生，最好能使學生都積極參與起來。（3）評價上有困難。任務驅動教學法，可能有個別學生濫竽充數、混水摸魚，給教師造成教學質量好的錯覺，影響到教學效果。

1.3 小結

總之，案例引導和任務驅動的教學模式改變了傳統的教與學的結構，使學生真正成為學習的主體，教師除了具有輔導者、引導者的身份外，不具備其他任何權威。在這一模式下，學生將可能通過計算機網絡隨時獲取幫助，并隨時成為教師。這種教學方式全面應用到技能教學相信只是一個時間上的問題，它將完全改變傳統的教學方式，使因材施教真正落到實處，讓每個學習者將學習當作一種享受。

2.建立新型的考核評價體系

傳統的考試制度比較注重理論和筆試，實驗成績雖占有一定的比例，但比重較小，這不利于人才的培養，理論測試與實踐動手能力考核應同等對待。理論考核應從培養學生分析、解決問題的能力和創造能力出發。而實踐考核中，既為不同層次學生提供更加公平的評價方式，也為那些擅長動手和創造的學生提供空間和時間，幫助他們脫穎而出，對學生的評價更客觀、更全面。突出了實踐環節的重要性。

3.重視教師自身素質的提高

教師在教學活動中是處于主導地位的，很難想像一個專業化程度不高、業務一般的教師能教出一批好的學生。而且隨著新技術、新方法、新儀器的不斷出現，測量應用領域的拓展，對教師知識結構、素質和能力也提出了新的挑戰。為此教師一方面必須積極參加科研，掌握學科前沿動態，另一方面定期到企業掛職鍛煉，掌握相關電子產品生產測試實際情況，豐富實用教學案例，把自己獲得的實際經驗、所掌握的最新信息傳授給學生。

4.小結

21世紀是知識經濟時代，知識經濟時代對人才的素質和創造能力提出了越來越高的要求，對人才培養工作產生極其深刻的影響。大學作為培養高級人才的搖籃，只有緊跟時代的發展脈搏，改革人才培養模式，轉變教學觀念，更新教學內容，探索各種教學方法和教學手段，切實提高教學質量，才能很好擔當起為社會輸送合格人才的重任。在本課程的教學過程中，我們采取了多種教學方法，雖然取得了一定的成績，但教學改革畢竟是一個長期探索、不斷完善的過程，需要我們去不斷總結經驗，探索更有益的方法。

參考文獻

[1]張連生，丁德全.當前高等教育課程和教學內容改革的發展趨熱[J].遼寧教育研究，2004（2）：75-77.

第3篇：量子科學應用范文

2011年，中國科學院論證并啟動了空間科學先導專項，2011年年底，量子科學實驗衛星項目正式立項。這既意味著中國科學家向完全自主研發世界首顆量子科學實驗衛星發起挑戰，更意味著中國或將先于歐美擁有量子通信覆蓋全球的能力。

十年歷程，鑄劍五載。雖然立項于2011年，但若從前期技術儲備就開始算起，這條路中國足足走了十多年之久。

十年積淀

量子通信和量子計算研究興起后，世界各地的物理學家都紛紛開始構思可擴展量子信息處理網絡的實現。在量子通信領域，當大多數人仍致力于實驗室內部的原理性演示時，中國科學技術大學潘建偉團隊已經開始思考如何能夠在太空中實現量子信息傳輸，并早在2003年就初步構建了量子科學實驗衛星計劃。

在這一背景下，2005年，潘建偉團隊實現了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發實驗，證實光子穿透大氣層后，其量子態能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。在星地自由空間量子通信重大突破的跡象出現后，中科院高瞻遠矚，適時超常規啟動了兩個知識創新工程重大項目――“遠距離量子通信實驗研究”和“空間尺度量子實驗關鍵技術與驗證”。

在創新工程重大項目的支持下，潘建偉團隊實現了16公里自由空間量子隱形傳態，并與中國科學院上海技術物理研究所、上海微小衛星工程中心、中國科學院光電技術研究所等研究機構強強聯手，發展了一系列自由空間量子通信的關鍵技術，先后實現了百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗證等重要實驗，為實現星地量子通信奠定了堅實的科學與技術基礎。

至此，星地量子通信的可行性已經得到充分驗證。此時，中科院果斷決策啟動量子科學實驗衛星工程立項論證，并將其列為空間科學先導專項的內容。

工程總體與六大系統

量子科學實驗衛星的科學目標是開展星地高速量子密鑰分發實驗，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

對于科學衛星來說，有效載荷的配置尤為重要，直接關系到能否將科學指標轉化為工程指標，并實現科學目標。

為了滿足量子科學實驗衛星的科學目標要求，工程對有效載荷配置和指標要求進行了綜合分析和論證，邀請領域專家進行討論和評定，經過兩次科學目標和有效載荷配置評審后，才最終確定了星上載荷配置。

之后，工程各系統根據衛星可行性方案開展了系統可行性論證，完成并通過了立項綜合論證，進而明確了工程研制任務：研制一顆量子科學實驗衛星，研制生產一發二號丁運載火箭，在酒泉衛星發射中心將衛星發射至高度為500公里的預定軌道。同時建設以4個量子通信地面站和1個空間量子隱形傳態實驗站為核心的天地一體化量子科學實驗系統。

隨后，借鑒以往衛星工程管理經驗，同時也根據量子科學實驗衛星的特點和實際需求，設置了工程總體和六大系統，包括衛星系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統、地面支撐系統和科學應用系統。

工程總體負責制定工程研制計劃，編制工程頂層文件，組織工程重大活動，協調系統間問題，同時對工程整個研制過程進行監督和管理。

六大系統分工明確：衛星系統主要負責衛星平臺和有效載荷的研發，載荷包括量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源和量子實驗控制與處理機；運載火箭系統主要負責運載火箭的研制和生產；發射場系統選擇酒泉衛星發射中心作為量子科學實驗衛星的發射場，主要承擔運載火箭和量子科學實驗衛星的測試、發射任務，并提供地面技術支持與勤務保障；測控系統負責對運載火箭主動段提供測控支持，對衛星平臺實施測控及長期運行管理，支持開展科學實驗，向地面支撐系統傳輸原始遙測數據，接收地面支撐系統傳送的科學實驗數據并完成數據的上行發送和下行接收；地面支撐系統負責提供實驗任務運行控制管理、數據接收、預處理、管理和歸檔等公用性支撐服務，是連接科學應用系統和測控系統的紐帶，任務要求包括實驗數據接收、實驗任務運控管理、數據預處理與歸檔管理和地面通信網絡支持等；科學應用系統負責整個量子科學實驗衛星工程科學實驗計劃的制訂、科學實驗的實施、科學數據和應用的處理傳輸存儲管理與，其系統配置為：1個中心――合肥量子科學實驗中心，4個站――南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個平臺――阿里量子隱形傳態實驗平臺。

關鍵技術

作為我國自主研發的星地量子通信設備，量子科學實驗衛星突破了一系列高精尖技術，既包括“針尖對麥芒”的星地光路對準、偏振態保持與星地基矢校正、量子糾纏源等工程級關鍵技術，也包括與有效載荷相關的多項先進技術。

量子科學實驗衛星需要在兩年的設計壽命中完成四大任務：星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗和地星量子隱形傳態實驗。這些實驗將通過我國自主研發的星地量子通信設備完成，它能夠產生經過編碼的、甚至是糾纏的光子并發射到地面上，與之對接的地面系統則負責“接收光子”，這種光子的發射與接收被稱為“針尖對麥芒”。

這并不是一件容易的事情。量子科學實驗衛星十分復雜，在它飛行的過程中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準兩個地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰。這就要求在飛行的過程中必須始終保證精確對準，跟蹤要達到相當高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。

“激光器一站對一站的有人做過，但是一顆衛星對準兩個地面站的從來沒有過，而且還要保證對得準確……如果能夠做到的話，在國際上也是第一次做這么高精度的跟蹤和地面站配合?！敝袊茖W院國家空間科學中心主任、空間科學先導專項科學衛星工程常務副總指揮吳季說。

為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，量子科學實驗衛星工程常務副總師兼衛星總指揮、中科院上海技術物理所王建宇研究員帶領團隊，與潘建偉團隊一道，從2012年起就開始進行各種實驗――如收發距離40公里的轉臺實驗，與衛星繞地運行的角速度一致；又如30公里距離的車載高速運動實驗，考驗超遠距離“移動瞄靶”能力；再如熱氣球浮空平臺，在空地環境下模擬量子密鑰分發……

此外，單顆衛星的量子通信還只是最簡單的點對點的信息傳遞。加上白天強烈的日光背景，目前的星地量子通信還只能在夜間進行，這就進一步限制了星地量子通信的效率。由于量子科學實驗衛星的在軌設計壽命僅為兩年，因此任務十分緊迫。除了星地光路對準，星地鏈路偏振態保持與基矢校正也是另一個技術難點。為了突破這一瓶頸，研究人員首先通過載荷模樣機研制，驗證偏振性能，確定分色片等關鍵部件的技術狀態；再進行地面站偏振保持方案原理驗證，確定復核基矢校正計算算法；然后確定基矢測量受外界條件影響方式以及搭建地面站模擬終端進行載荷樣機與地面站模擬終端聯合試驗等方式和渠道，終于明確了偏振態保持和基矢校正關鍵技術的實現方案和技術狀態，并有效驗證了關鍵技術的各項技術指標，確認其能夠滿足科學目標的需求。

量子科學實驗衛星的科學目標之一是量子糾纏分發實驗，在軌需要在星上制備高亮度糾纏光源，并將產生的糾纏光子對通過量子密鑰通信機和量子糾纏發射機同時向兩個地面站發射。

量子糾纏源的航天工程化也是量子科學實驗衛星的一項關鍵技術。研究人員從糾纏源亮度、對比度、中心波長和光學接口指標幾個方面著手，細化工程化指標，提煉出窄線寬泵浦激光器的空間適應性、高精度Sagnac干涉儀穩定性以及空間光纖極化控制三大技術難點，通過模樣機的研制以及單模、保偏兩種光纖極化控制方案的并行攻關，最終明確了量子糾纏源及光接口的技術狀態，設計保證了關鍵技術的各項技術指標，且具有較大的裕度，滿足科學任務的需求。

此次，量子科學實驗衛星將包含4個有效載荷，分別是量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子實驗控制與處理機。而針對這4個載荷的技術攻關，也耗費了科學家和工程技術人員的大量時間和心血。在高質量量子光束及低損耗鏈路技術方面，科學家們開展了近衍射極限量子光發射技術研究，理論分析了光纖出射光經過準直鏡發射遠場分布。分析表明，通過增大出射口徑、提高光學質量等手段可優化發散角。

于是，技術人員選擇采用一定口徑和焦距的光學系統進行實驗室試驗驗證，最終實現了小于15urad的量子光發射發散角，并接近衍射極限。

在快速指向鏡研制及超前瞄準技術方面，研究人員完成了自行研制快反鏡的詳細設計，進行了關鍵參數計算分析及系統建模，并完成了重要部件選型。產品指標為指向范圍大于6mrad，固有頻率大于1kHz。

在高亮度糾纏源技術方面，研究人員成功研制了高亮度量子糾纏源載荷單機，指標滿足要求，并成功模擬了高損耗的量子糾纏分發實驗。實驗數據顯示，以目前量子糾纏源產品的亮度和品質，足以實現單邊鏈路損耗40dB的糾纏分發。

協同攻關

隨著量子科學實驗衛星關鍵部件的成功交付，衛星發射準備就緒。但這一過程卻凝聚了科學家團隊和全體參研參試工程人員的心血。正是得益于工程隊伍的協同攻關、團結一致，才保障了項目的順利完成。

量子科學實驗衛星不同于其他衛星的一個顯著特點是星上和地面協同完成科學實驗，即天地一體化實驗，而且科學實驗的數據流和指令流鏈路也較其它衛星更為復雜。在工程研制初期，雖然科學家團隊對科學目標和科學實驗都了如指掌，但是很多工程研制人員還是對在軌科學實驗流程感到困惑。由此由工程總體組織、科學應用系統編制了《量子科學實驗衛星工程天地一體化實驗流程分析報告》?？茖W家團隊和工程各系統研制隊伍之間通過對天地一體化實驗流程的不斷討論和細化，接口關系和任務分工不斷明確，使得工程隊伍逐漸對科學實驗及其過程有了清晰的認識；并在工程正樣研制階段，通過大系統聯試進一步驗證了在軌科學實驗流程，以及系統間數據流和指令流的協調匹配性。

在研制過程中，各系統研制團隊通力合作，精益求精。衛星系統在方案階段完成了星地光路對準、星地鏈路偏振態保持與基矢校正、星上量子糾纏源三項關鍵技術攻關，并通過了關鍵技術攻關評審；明確了衛星的總體技術方案，完成了整星初樣設計，為工程實現奠定了基礎。

初樣階段，衛星系統完成了結構熱控星、電性星、鑒定星研制與試驗，同時完成了衛星與運載、測控、地面支撐系統的對接試驗和星地光路對準、量子密鑰分發、量子糾纏分發、量子隱形傳態四項地面驗證專項實驗，充分驗證了光軸對準精度等關鍵指標，科學實驗的功能與流程具備在軌開展科學實驗任務的能力。

正樣階段，衛星系統以正樣星生產與試驗為主線，同時并行開展與其它系統接口對接試驗；2015年11月至2016年5月，整星陸續通過了桌面集成測試、真空熱試驗、EMC試驗、正弦振動試驗、噪聲試驗、帆板展開與光照試驗、精度復測等正樣環境試驗，并通過了科學任務流程演練和整星老練，各項試驗均滿足要求。

項目的工程研制任務除了研制一顆量子科學實驗衛星外，還需研制生產一發二號丁運載火箭，由航天科技集團第八研究院負責建造。對于預定軌道，火箭運載能力不小于650kg；運載火箭整流罩內包絡的尺寸大于1600mm×1800mm×1800mm。

CZ-2D運載火箭在運載火箭梯隊素來有“金牌火箭”的美譽，曾26次執行飛行任務，成功率達百分之百。然而每一次任務，航天八院還是當作第一次生產和研制來對待，這一次也不例外，嚴格按照流程高質量完成每一個環節的研制工作，并充分開展地面試驗和考核。

發射場系統和測控系統研制團隊有著多年豐富的航天發射和測控經驗。團隊在面對量子科學實驗衛星時仍然積極學習其特點和要求，全力配合開展適應性改造；按照工程總體的規劃流程，組織完成了與各系統的初、正樣對接試驗，配合完成大系統聯試。

科學應用系統是整個量子科學實驗計劃的大腦；與衛星系統一起構建天地一體化系統；還負責建設完成科學實驗任務所需的科學實驗中心、廣域量子密鑰應用平臺、光學地面站和空間量子隱形傳態實驗站。

中國科學技術大學作為科學應用系統總體，全面承擔起規劃和建設工作。從總概算到建設流程，以及與協作單位協商和建設，都做了周密部署。

中科院國家天文臺作為量子科學實驗衛星科學應用系統的參研單位，主要負責地面站建設和改造分系統工作，并參與總體集成與科學實驗中心分系統和新建望遠鏡分系統部分工作。

在地面站的建設過程中，國家天文臺充分利用其在天文觀測和野外臺站運行的經驗，與科學應用系統的科學目標相結合，設計并參與建設了適用于量子科學實驗衛星觀測的地面站系統。

為提升量子科學試驗的自動化程度，國家天文臺為各個地面站研制了綜合控制系統，用于科學實驗計劃的導入、設備調度、科學數據采集和實驗參數實時反饋；并自主提出環境監測系統，為地面站運行和在軌實驗提供全天云圖、夜天光、溫濕度、氣壓、風速和風向等環境參數，保證設備安全運行和科學數據的有效性。

中科院光電技術研究所新研制的南山和德令哈地面站1.2m口徑望遠鏡和改造的興隆和云南的兩臺米級望遠鏡，是量子通信系統的核心組成部分。

在中科院光電所團隊的攻堅克難下，在地面大口徑望遠鏡接收量子信號光技術方面，團隊提出基于實時擾動估計的控制方法，突破了高動態范圍高精度望遠鏡機架控制技術，實現了對星上終端“針尖對麥芒”的穩定跟瞄功能，望遠鏡的跟蹤精度和指向精度指標遠遠優于任務書的指標要求。同時，望遠鏡在寬光譜光高效率傳輸技術以及量子糾纏和密鑰光的高保偏接收技術方面也有重大突破。

此外，團隊在國際上首次研制完成寬光譜、高效率、高保偏、高精度的望遠鏡光學系統和速度動態范圍大、抗擾能力強的望遠鏡伺服控制系統，以及工作狀態可配置的望遠鏡操控系統，在同一臺望遠鏡上可同時完成量子通信、相干激光通信的實驗任務以及天文觀測任務，其中跟蹤精度、指向精度和信號光高保偏等，均達到國際領先水平。

地面支撐系統建設中的一個突出問題是面臨同時開展幾顆衛星的研制、在軌測試和運行管理的局面。這就要求系統必須具有同時支撐多星的能力，并且也對技術系統、人員素質都提出了更高的要求。

對此，地面支撐系統迎難而上，充分發揮主觀能動性，對系統業務軟件進行有效、合理的調整，采取“基礎平臺框架+各衛星專用軟件”的體系結構，從而確保了對每顆衛星只需將部分軟件進行適應性完善即可進行支撐。也就是說，今后不必再大規模重新建設支撐系統，可謂一勞永逸。

第4篇：量子科學應用范文

本書從簡要概述經典物理、統計物理與量子力學之間的明顯不同開始，論證為什么量子力學的應用可以超出物理學的范圍，并且定義了量子社會科學。指出所謂的量子社會科學并不是要用適用微觀尺度的量子力學原理重新表述社會，而是嘗試借助量子力學的一些形式理論和概念，研究社會科學中的一些問題，包括在心理學、經濟學與金融學中量子概率效應的存在，提出并解答了一些基本問題。他們論證了社會科學體系中的信息處理在一定程度上可以利用量子力學的數學工具形式化的奇妙方法。本書建議了一種類-量子方法可以作為理解經濟學與金融學中心對象決策問題的有效工具。兩位作者還論證了概率相干性能夠用來解釋著名的Ellsberg決策佯謬中總概率規律的破壞，本書兩位作者對這一新奇的研究領域做出了一些領先的貢獻。

兩位作者深知這樣一本書所討論的內容是與直覺相反的，他們要把解釋亞原子行為發展起來的物理學理論用于解釋我們日常生活世界。盡管我們掌握了很多亞原子世界的精確知識，但是從來沒有關于這個世界的直接經驗。把微觀世界有效的理論用于宏觀世界可信度如何？這樣奇特的做法會不會令人擔憂？感興趣的讀者都可能提出這類問題。兩位作者的想法是，關于他們開創的這種做法的可行性，應該由讀者在讀過該書之后自己得到答案。

本書陳述的模型可以稱之為類-量子的，他們與量子物理沒有直接關系。作者強調指出，對于復雜的社會系統所做的信息處理可以通過量子力學的數學工具描述。正是在這個意義上，本書闡釋了金融市場、行為經濟學和決策問題。

把精確科學與社會科學聯系起來不是件輕而易舉的事。其中最為困難的問題是消除這樣的一種誤解，即似乎在物理學與社會系統模擬之間本來就應當存在一架橋梁。實際上，在一些特殊的社會系統中，所得結果的“物理等價物”幾乎毫無意義。

全書內容分4個部分，共15章。第1部分 社會科學中的物理概念，含第1-3章：1.經典、統計和量子力學，三合一概覽；2.經濟物理學； 3.量子社會科學。第2部分 數學與物理的預備知識，含第4-6章： 4.矢量的微積分學及其他數學預備知識；5.量子力學基本要素；6.Bohm力學的基本要素。第3部分 心理學中量子概率效應：基本問題及其答案，含第7-9章：7.簡略概述；8.心理學中的干涉效應——導論；9.決策的類量子模型。第四部分 經濟學、金融學與腦科學中的其他量子概率效應，含第10-15章：10.危機中的金融學/經濟學理論；11.金融與經濟學中的Bohm力學；12.BohmVigter模型和路徑模擬；13.對于經濟學/金融學理論的其他一些應用；14.大腦的類-量子處理的神經心理學起源；15.結論。

本書是面向經濟學和心理學以及物理學的研究人員的一部具有新穎、獨特觀點的專著，很具啟發性和創新性，對于希望開拓新的研究領域，特別是交叉學科相關領域的研究生以及研究人員很有參考價值。作者概述了進入該領域所需的數學預備知識和量子力學的基本概念以及社會科學相關的基礎知識，這對那些對這一問題感興趣并打算閱讀該書的讀者很有益處。

丁亦兵，教授

（中國科學院大學）

第5篇：量子科學應用范文

在量子的世界中，對于一個微觀的粒子，測量過程本身將不可避免的給我們要測量的物體造成一個顯著的擾動，而且即使在原則上，我們也完全沒辦法把這一擾動減小到零；另一方面，觀測行為本身又會破壞粒子原來的狀態，讓你永遠不可能知道粒子本來的狀態是什么。這就是量子不可克隆原理：你不能夠復制一個未知的量子態，而不改變量子態本身。量子不可克隆原理是量子加密的基礎。如果我們把想要保密傳輸的信息，加載到一個個不可能被準確觀測和復制的量子態上，而任何的竊聽行為都會改變原本傳輸的數據。那么最后我們取一部分數據出來，檢查原本傳輸的信息是否被破壞，就能夠檢測到竊聽者是否存在。

整個量子通信中，具有短期內真實的應用潛能的就是量子保密通信，其中最有用的部分就是量子密鑰分發。經典通信使用最廣泛的公鑰密碼，是假定一些數學難題，最典型的是假定大型數據分解的數學難題。但是，隨著計算能力的不斷提高，特別是未來量子計算機如果實現的話，這種數學難題的復雜性就迎刃而解了，換句話說，經典保密通信基于的數學方法不能獲得嚴格的數學證明。在這個背景下，量子保密通信最大的賣點就是它的安全性獲得了嚴格的數學證明，這也可以從其量子力學的基本原理來解釋。

量子通信另一個核心內容是隱形傳輸，是利用了光子等基本粒子的量子糾纏原理來實現保密通信過程。糾纏是一種詭異的超距離相互關聯的現象：兩個糾纏在一起的粒子，即使被完全隔離，當觀測一個粒子的狀態時，另一個粒子的狀態也會發生瞬時的改變。換言之，兩個粒子的量子狀態是完全關聯的。量子物理讓人最不可思議的地方在于，事物的狀態并不是唯一確定的。對于宏觀的硬幣而言，只可能存在兩種狀態：正面朝上或是反面朝上。但對于一枚量子硬幣，它可以既是正面朝上又是反面朝上。對于兩枚糾纏在一起的量子硬幣，如果發現其中一枚是正面朝上，另一枚也一定是正面朝上；當發現一枚是反面朝上，另一枚也一定是反面朝上；如果發現一枚既是正面朝上又是反面朝上，另外一枚也一定既是正面朝上又是反面朝上。因此，糾纏所包含的關聯性，要比我們通常理解的宏觀上的關聯性強得多。

事實上，糾纏的兩個粒子盡管可以在很遠的距離上一個影響另一個，但它們無法傳遞任何信息。以密鑰為例，當雙方共享同一套密鑰時，并沒有發生信息的傳遞，直到加密的文本傳來，密鑰才有意義。量子通信和傳統通信的唯一區別在于，量子通信采用了一種新的密鑰生成方式，而且密鑰不可能被第三方獲取。

向全球的量子通信網邁進

發展量子通信技術的終極目標是構建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡連接一個中等城市內部的通信節點、通過量子中繼實現鄰近兩個城市之間的連接、通過衛星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛星平臺的中轉實現遙遠兩個區域之間的連接，是實現全球廣域量子通信最理想的路線圖。

在這一路線圖的指引下，歐洲、美國和中國等在過去幾年中均進行了戰略性部署，投入了大量的科研資源和開發力量，進行關鍵技術攻關和實用化、工程化探索，力爭在激烈的國際競爭中占據先機。光纖量子密碼技術目前正從點對點量子密鑰分發的初級階段向實現多節點網絡內的量子安全性方向深入發展階段，全球各地正在加緊進行量子通信系統的實用化和工程化建設。

由美國國防部高級研究署（DARPA）支持， BBN公司（具有很強的軍方特色）技術部聯合波斯頓大學與哈佛大學共同開展了量子保密通信與IP 互聯網結合的五年試驗計劃。該計劃主要內容是以BBN技術部、波斯頓大學和哈佛大學作為三個節點以構建融合現行光纖通信網、互聯網和量子光通信的量子互聯網，并在此基礎上實現保密通信。

在歐盟的《量子信息處理和通信：歐洲研究現狀、愿景與目標戰略報告》中給出了歐洲未來五年和十年量子信息的發展目標，例如將重點發展量子中繼和衛星量子通信，實現1000公里量級的量子密鑰分配。歐洲空間局計劃到2018年將國際空間站上的量子通信終端與一個或多個地面站之間建立自由空間量子通信鏈路，首次演示絕對安全的空間量子密鑰全球分發的可行性。歐盟在2008年9月了關于量子密碼的商業白皮書，啟動量子通信技術標準化研究，并聯合了來自12個歐盟國家的41個伙伴小組成立了SECOQC工程。

實用化進程：與經典通信的融合

從目前的實際應用來看，將量子通信網絡與現有網絡進行融合是最優的發展戰略?；ヂ摼W在設計時并沒有深入地考慮安全性，這造成當今的網絡安全問題十分突出。量子通信是人類能掌握的最保密的通信技術，量子通信和經典通信網絡的融合研究對于提升未來網絡的安全性具有重要的意義。

量子通信和經典網絡的融合需要解決物理層和組網技術、中繼技術和通信應用技術等幾個方面的融合問題。對于未來網，應當從基礎設施的建設和利用上就考慮和量子通信的融合。由于傳統的光通信可能在很長一段時間內仍然是主要通信技術手段，在光通信網絡上實現量子通信網絡，將是融合的基礎。

實際的量子通信中，量子通信與現有通信的融合是一個相互取長補短的過程，量子通信不會完全替代現有的通信技術，而是在現有的技術上在物理層、網絡層、應用層將兩者進行了融合。

從物理層來說，可以從光源、探測器和信道方面考慮。在光源方面，利用單光子源或者單離子源，或者將激光光源衰減到單光子量級應用到實際工程中；在探測方面，因為是單光子信號源，需要特測器有單光子量級特征，對量子密鑰分發中的連續變量進行測量；在信道方面，對于不同的光源用不同波長的商用光纖即可滿足條件。

從網絡層來說，一方面我們可以采取獨立的信道和統一的網絡結構，也可以用一根光纖既傳遞量子信號又傳遞經典信號；除了光纖技術，還需要采取例如基于糾纏交換的量子中繼技術來解決量子通信的遠距離傳輸這一核心問題；此外，在組網的往來上，可以采取電路交換或者波長復用技術，并且增加量子路由器來進行控制。

從應用層來看，我們可以跟現有的互聯網安全協議結合，用量子密碼來替換現有協議中的初始密碼，這樣既可以得到更高的安全性也可以保持實際的通信速率。現在實際用到的量子保密分發的方法都是用誘騙態量子密鑰分發的方法。而一旦用量子的方法產生密鑰，則必須與后繼的經典通信結合才能實際應用。比如，我們用量子密碼生成種子密鑰，然后用經典的方法進行擴張，這樣既保證了種子密鑰的安全，同時也有很高的通信效率。

量子通信在中國

量子信息因其傳輸高效和絕對安全等特點，被認為可能是下一代IT技術的支撐性研究，并成為全球物理學研究的前沿與焦點領域。基于我國近10年來在量子糾纏態、糾錯、存儲等核心領域的系列前沿性突破，中科院于2011年啟動了空間科學戰略性先導科技專項，力爭在2015年左右發射全球首顆“量子通訊衛星”。

中國科學技術大學教授潘建偉、彭承志、陳宇翱等人，與中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成聯合團隊，于2011年10月在青海湖首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。實驗證明，無論是從地面指向衛星的上行量子隱形傳態，還是衛星指向兩個地面站的下行雙通道量子糾纏分發均可行，為基于衛星的廣域量子通信和大尺度量子力學原理檢驗奠定了技術基礎。

如果應用量子通信這項高科技，中國軍方能瞬間傳送軍事信息而又確保萬無一失。通過這項保密力度極強的科技的應用，能大幅度提升軍隊的指揮和控制能力，使得中國在信息戰能力方面超越美國。

發射量子通訊衛星早就被中國科學界列為一項核心任務。早在2011年9月，中國科學院院長、黨組書記白春禮在談到中國能否抓住第六次科技機遇時透露，中科院計劃在未來十年發射五顆科學衛星，其中，量子通訊衛星的衛星發射將列為重中之重。

由于量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果能夠在技術上實現糾纏光子再穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛星的幫助下實現全球化的量子通信。這樣一來，這種世界上最為保密的通信手段將會覆蓋世界任何角落。

第6篇：量子科學應用范文

關鍵詞：墨子號;量子衛星;量子糾纏;量子密鑰;物理學

中圖分類號： TN219 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）30-100-2

0 引言

物理學是研究物質運動最一般規律和物質基本結構的一種自然科學，研究對象大至宇宙，小到基本粒子的質量、運動形式和規律等內容。量子衛星可謂是物理學中極大的天體物理和極小的量子力學理論的綜合應用，意義重大。下面我想從2016年8月16日我國發射的全球首科量子科學實驗衛星“墨子號”來談談對物理學中量子物理發展的一些思考。

1 “墨子號”的由來

作為全球三大古老邏輯體系之一的墨家邏輯中的經典著作《墨經》中提出的“光學八條”中描述了墨子對光線的認識，并成功設計了樸素的小孔成像實驗，奠定了中國光學研究的基礎，所以我國發射的全球首顆量子科學實驗衛星被命名為“墨子號”以紀念墨子先生。

2 為何發展量子通信技術和通訊優勢

我們知道，20世紀初，量子力學的基礎知識剛剛被奠定的時候，它帶給人們一種啟示，雖然它會時常使人感到困惑，因為量子力學在微觀世界里已經打敗了經典力學古老的確定論，反復的討論可能性、可能結果的疊加。

我們假設一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子，所以我們常用量子去指一個不可分割的基本個體，例如“光的量子”是光的基本單位光子。當然，所有可量子化的物理量其最小單位是特定的，而不是任意值。20世紀的前一半時期許多物理學家將量子力學視為了解和描述自然的基本理論，發展出了量子光學、量子計算等不同專業領域來研究。

量子計算領域利用量子效應來控制和處理信息，它具有驚人的潛力，因為經典數據的二進制“比特”一次只能取一個值，而量子的“量子比特”能夠在給定范圍內代表任意及所有可能的取值：在被測量以前，它以所有的可能太的“疊加”形式存在。量子計算特別適合用于解決今天只能依靠“強力”處理器能力來解決的特殊問題―比如，幾十個量子比特陣列就能夠存儲超過太字節（萬億）的傳統數據量。[3]

因此發展量子通信技術的優勢非常明顯，前景廣闊。

3 “墨子號”工作的理論基礎

1917年G.Vernam提出了“一次一密”（One-Time Pad）密碼體制[1][2]，C.E.Shannon于1949年用信息論證明了該密碼體制是無條件安全的[1][2]，這是目前唯一被證明是絕對安全的密碼體制。

由于量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果能夠在技術上實現糾纏光子再穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛星的幫助下實現全球化的量子通信。此次發射的量子科學實驗衛星完全由我國自主研發，突破了衛星平臺、有效載荷、地面光學收發站等一系列關鍵技術，將在軌開展量子密鑰分發、廣域量子密鑰網絡、量子糾纏分發、量子隱形傳態、星地告訴相干激光通信等科學實驗。

潘建偉研究小組在2003年開始研究自由空間量子通信，他們在實驗點制備出成對的糾纏光子，再利用兩個專門設計加工的發射望遠鏡將容易發散的細小光束“增肥”后向東西相距13公里的兩個實驗站送出，兩個接收端用同樣型號的望遠鏡收集。

量子衛星和地球通信是雙向的。衛星和地面站都擁有發射端和接收端。發射端包含單光子光源和光束整形系統，接收端包含單光子探測器和成像系統。光束整形系統和成像系統把點光源變成平行光并將其匯聚到焦點上。發射端和接收端是靠激光聯系，它們之間有個大氣層――它是目前較大的麻煩。

經過研究人員的種種努力，在如此遠距離的傳送中，雖有許多糾纏光子衰減，但仍有相當比例的“夫妻對”能存活下來并有旺盛的生命力，經單光子探測器檢測，分居東西兩地的光子“夫妻對”即使相距遙遠仍能保持相互糾纏狀態，攜帶信息的數量和質量能完全滿足基于衛星的全球化量子通信要求。

在此基礎上，研究小組進一步利用分發的糾纏光源進行絕對安全的量子保密通信。13公里不僅是目前國際上自由空間糾纏光子分發的最遠距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發的最大距離。

4 我國量子通訊發展歷史和量子衛星的前景展望

英國《自然》雜志中關于“量子太空競賽”中指出：“在量子通信領域，中國用了不到十年的時間，由一個了不起的國家發展成現在的世界勁旅，中國將領先于歐洲和北美......”可見我國量子通訊發展速度飛快。1995年，中科院物理所吳令安小組在實驗室內完成了我國最早的量子密鑰分發實驗演示。2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發演示實驗。2002年至2003年間，瑞士日內瓦大學Gisin小組和我國華東師范大學曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發。2006年，中國科學技術大學潘建偉團隊在世界上首次利用誘騙態方案實現了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發實驗，2009年，該團隊又在世界上率先將采用誘騙態方案的量子通信距離突破至200公里。2013年，潘建偉團隊又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他們成功開發了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器，并利用該單光子探測器在國際上首次實現了測量器件無關的量子通信，成功解決了現實環境中單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現實條件下量子通信系統的安全性。2016年8月16日我國發射的全球首科量子科學實驗衛星“墨子號”這既是中國首個、也是世界首個量子衛星。

在我國，量子通信技術從基礎研究向應用技術轉化邁進，面對國際上科技巨頭，如IBM、Bell實驗室、德國西門子公司等都紛紛投入量子通信的產業化研究之時。我國將利用量子通信技術的產業化和廣域量子通信網絡的實現，作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術，而量子密鑰極有可能會進入普通家庭，服務于社會大眾，成為電子商務、電子醫療、軍事科技等各種電子服務的驅動器，為當今這個高度信息化的社會提供基礎的安全服務和最可靠的安全保障。

我國未來還將發射多顆量子衛星，預計到2020年實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發。屆時，連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網也將建成，2030年左右將建成全球化的廣域量子通信網絡。隨著量子通信網絡的發展，量子通信將迎來巨大的市場。有人預測，國內量子通信短期市場規模在100億至130億元左右，長期市場規模將超過千億元。

5 量子技術的應用對物理學發展的一些思考

量子通信技術的發展，基礎是物理學理論的發展，筆者認為21世紀是要把微觀和宏觀整體地聯系起來。這種結合對應用科技影響深遠，我們回過頭來看看，目前的科學發明在19世紀末都是很難想象的！沒有20世紀初基礎物理科學的發展，21世紀的科技應用和開發也無法迅速發展，那么，發展好當代物理理論研究應該對今后的技術發展產生深遠影響。

參 考 文 獻

[1] ASSCHE G V.Quantum Cryptography and Secret-key Distillation[M].New York：Cambridge University Press，2006.

第7篇：量子科學應用范文

關鍵詞：量子力學；現代物理；地方應用型高校

筆者于1997年畢業于衡陽師范高等專科學校物理教育專業，那時用的是?？茖W校自編的量子力學教材，內容較簡化，學習起來較吃力；2005年進入湖南師大讀研后，又學習了高等量子力學，許多東西似懂非懂；2016年開始向本科生講授量子力學課程，也只有在這時候，才懂得了困惑自己多年的一些問題。從這個歷程中，可見學好量子力學這門課程是多么難。

一、教學指導思想

正因為這門課程很難學，所以不能期望太高，何況在生源較差的地方應用型高校。與此同時，教師要以人才市場需求和學術發展為雙重依據，保持學科體系的完整性，把量子力學教好。對于若干個學生中的精英，要使其受到完整的課程體系訓練，培養物理學科的領頭雁；而對于其他學生，則通過教學方式和考核方式的多樣性，讓其順利通過這些理論性較強的課程考核，培養物理文化的傳播者。

筆者采用的教學方式以傳統講授法為主，PPT用得很少。因為這門課程必須經過數學演算和推導，才能對量子世界有所理解。不要求學生步步推導，但教師至少要去一步一步地算，給學生留下深刻的印象，讓學生知道，做學問是老老實實地工作。每章結束后，設置一個小測試，題目來自上課時講的一些重點概念、符號、規律以及一些簡單的公式推導。這樣可以保證學生能從書本里查找答案，掌握基本知識。

二、正確看待學生的學習狀況

學生的學習狀況也如所預料的一樣，認真聽的只有幾個有考研意愿的人，其他人幾乎是以玩手機來消磨時間。小測試的時候，總有十多人先不做，坐等別人的答案。筆者認為，教育不能指望人人都會成為精英，能成為“欲栽大樹柱長天”的人只需幾個即可。同一個專業里，也需要各種層次的人才，如理論計算、實驗操作、知識傳播、人際協調，等等。量子力學教師需要關注學生的聽課狀態，以人人能學會為原則（教育機會均等），隨時調整自己的教學策略；同時也要牢記自己的使命，把量子力學的靈魂傳播到位，把它的科學精神傳播到位。

三、量子力學的魂與精神

量子力學的魂是：微觀粒子的運動狀態是不確定的，只能用概率波去描述；微觀粒子的運動能量不是連續的，而是離散的；測量微觀粒子的力學量時得不到確定值，只能得到系列的可能值及其出現的概率，但它們的統計值是確定的，即得到的宏觀量；量子力學里的微觀粒子不一定是電子質子等實物粒子，還可能是經過一次量子化和二次量子化后的某種運動單元，如電磁場光子、諧振子粒子。量子力學的精神是：科學研究是一件嚴肅的事情，必需老老實實地演算和推導，來不得半點投機取巧。

四、教學心得體會

1.量子力學的研究對象。量子力學是研究微觀粒子的運動，但是課本開始介紹的黑體輻射卻是能觀察到的宏觀現象，這該怎樣理解？一是將空窖里的輻射場當成大量微觀粒子組成的系統，它們服從Bose-Einstein分布l=ωl/（eβεl-1），只是它們不是有原子分子結構的實物粒子罷了。二是認為這些粒子的能量是量子化的εl=ω，不再是宏觀的連續能量了。這樣一來，物體的輻射就是發射和吸收微觀粒子的過程了。

2.二次量子化。把輻射場處理成能量量子化的大量微觀粒子，把原點附近做振動的原子或分子處理成能量量子化的線性諧振子等就是一次量子化。最簡單的二次量子化就是體現在對線性諧振子的處理上。線性諧振子的能級是分立的，En=ω（n+1/2），τΦ謀菊魈為Ψn。由于相鄰能級上的本征態具有遞推關系，即由Ψn可以推出Ψn-1或Ψn+1這時又把態Ψn看成是由n個粒子組成的系統，每個粒子具有能量E=ω，這樣一來，遞推關系里的算符就可以看成產生算符和湮滅算符了。

3.不確定性。這點和統計力學有某種相似性。統計力學并不知道微觀粒子確定的運動狀態，所以只好假定每種微觀運動狀態出現的概率相等，即等概率原理。這樣一來，就可以理解測量微觀粒子的力學量時，得不出確定值的原因，只能得出一系列的可能值以及這些可能值出現的概率。同樣，描述粒子的運動狀態也只能用概率波來描述了。

第8篇：量子科學應用范文

關鍵詞： 量子概率； 量子三叉樹；量子B-S模型；量子期權敏感性

中圖分類號：F830； O413 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）01-0014-03

0 引言

量子金融是量子概率應用于金融市場的研究，體現了期權定價[1]思想上的創新。目前，國內外學者在這方面已做了一定的工作。陳澤乾[2]提出二項式期權定價量子模型。E.Sega[3]用量子效應解釋在金融市場期權價格的不規則變化。Emmanuel和E.Have[4]描述了在量子系統中，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格的關系。本文建立了量子三叉樹模型。根據期權折現流在量子概率下是一個鞅過程，給出了量子概率在金融問題中的作用。同時根據Tailor公式，用量子力學過程代替經典隨機過程描述股票價格，在股票價格St遵循量子Brown運動的情形下，得到連續量子B-S模型。實例應用和Matlab仿真都證實了量子B-S的有效性。一方面簡化了期權計算，另一方面更好地揭示了金融市場的量子特征。

1 量子三叉樹模型

2 連續量子Black-Scholes模型

定理2. 量子期權平價公式

在任意一個時刻t

證明：在t=0時刻，由文獻[9]可以構造兩個量子投資組合φ1=c+Ke-rT，φ2=p+S。

設Vt（φ）是投資組合φ在時刻t的財富值，考慮上面兩個量子投資組合，在t=T時刻的值

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。

有了量子期權平價公式，由量子B-S算出看漲期權的價格，就可以得出看跌期權的價格。

4 實例應用

5 量子歐式期權敏感性[10]應用

以下是用MATLA對歐式期權敏感性做的仿真：

圖1和圖2表示期權標的物的價格波動性變動對期權價格的影響程度，數學表達式■，f為Black-Scholes期權定價公式中期權價格函數C。顏色反映靈敏度，下面是量子圖，它比上面的經典圖更能體現細微的波動值的變動。

6 結論

本文以量子概率的角度，利用量子力學理論建立了量子三叉樹和量子Black-Scholes模型，處理了復雜期權定價問題。實例應用和敏感性分析都證實了量子B-S模型的有效性，量子期權圖對金融市場標的物的價格細微波動變化反應更敏感，更能體現金融市場的量子特征。

參考文獻：

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[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]姜禮尚.期權定價的數學模型和方法[M].北京：高等教育出版社，2010：10-13.

第9篇：量子科學應用范文

論文摘要：將量子化學原理及方法引入材料科學、能源以及生物大分子體系研究領域中無疑將從更高的理論起點來認識微觀尺度上的各種參數、性能和規律，這將對材料科學、能源以及生物大分子體系的發展有著重要的意義。

量子化學是將量子力學的原理應用到化學中而產生的一門學科，經過化學家們的努力，量子化學理論和計算方法在近幾十年來取得了很大的發展，在定性和定量地闡明許多分子、原子和電子尺度級問題上已經受到足夠的重視。目前，量子化學已被廣泛應用于化學的各個分支以及生物、醫藥、材料、環境、能源、軍事等領域，取得了豐富的理論成果，并對實際工作起到了很好的指導作用。本文僅對量子化學原理及方法在材料、能源和生物大分子體系研究領域做一簡要介紹。

一、 在材料科學中的應用

（一）在建筑材料方面的應用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計算量子化學開始廣泛地應用于許多水泥熟料礦物和水化產物體系的研究中，解決了很多實際問題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產物相之一，它對水泥石的強度起著關鍵作用。程新等[1 ，2]在假設材料的力學強度決定于化學鍵強度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學強度的大小差異。計算發現，含Ca 鈣礬石、含Ba 鈣礬石和含Sr 鈣礬石的Al -O鍵級基本一致，而含Sr 鈣礬石、含Ba 鈣礬石中的Sr，Ba 原子鍵級與Sr-O，Ba -O共價鍵級都分別大于含Ca 鈣礬石中的Ca 原子鍵級和Ca -O共價鍵級，由此認為，含Sr 、Ba 硫鋁酸鹽的膠凝強度高于硫鋁酸鈣的膠凝強度[3]。

將量子化學理論與方法引入水泥化學領域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結構與宏觀性能聯系起來，也為水泥材料的設計提供了一條新的途徑[3]。

（二） 在金屬及合金材料方面的應用

過渡金屬(Fe 、Co、Ni)中氫雜質的超精細場和電子結構，通過量子化學計算表明，含有雜質石原子的磁矩要降低，這與實驗結果非常一致。閔新民等[4]通過量子化學方法研究了鑭系三氟化物。結果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結合能計算值與實驗值定性趨勢一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結構及光譜的計算[5]。再比如說，NbO2是一個在810℃具有相變的物質(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結構和光譜也是通過量子化學方法進行的計算和討論，并通過計算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質方面存在的差異[6]。

量子化學方法因其精確度高，計算機時少而廣泛應用于材料科學中，并取得了許多有意義的結果。隨著量子化學方法的不斷完善，同時由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學在材料科學中的應用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學的發展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應用

（一）在煤裂解的反應機理和動力學性質方面的應用

煤是重要的能源之一。近年來隨著量子化學理論的發展和量子化學計算方法以及計算技術的進步，量子化學方法對于深入探索煤的結構和反應性之間的關系成為可能。

量子化學計算在研究煤的模型分子裂解反應機理和預測反應方向方面有許多成功的例子， 如低級芳香烴作為碳/ 碳復合材料碳前驅體熱解機理方面的研究已經取得了比較明確的研究結果。由化學知識對所研究的低級芳香烴設想可能的自由基裂解路徑，由Guassian 98 程序中的半經驗方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的從頭計算方法和考慮了電子相關效應的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法對設計路徑的熱力學和動力學進行了計算。由理論計算方法所得到的主反應路徑、熱力學變量和表觀活化能等結果與實驗數據對比有較好的一致性，對煤熱解的量子化學基礎的研究有重要意義[7]。 轉貼于

（二）在鋰離子電池研究中的應用

鋰離子二次電池因為具有電容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全可靠、無記憶效應、重量輕等優點，被人們稱之為“最有前途的化學電源”，被廣泛應用于便攜式電器等小型設備，并已開始向電動汽車、軍用潛水艇、飛機、航空等領域發展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過程實際上是Li + 離子在正負兩電極之間來回嵌入和脫嵌的過程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機理對進一步改善鋰離子電池的性能至關重要。Ago 等[8] 用半經驗分子軌道法以C32 H14作為模型碳結構研究了鋰原子在碳層間的插入反應。認為鋰最有可能摻雜在碳環中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子軌道法對摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預示在較高的摻鋰狀態下有可能存在一種Li - C 和具有共價性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子軌道計算法，對低結晶度的炭素材料的摻鋰反應進行了研究，研究表明，鋰優先插入到石墨層間反應，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對材料晶體結構的進一步認識和計算機水平的更高發展，相信量子化學原理在鋰離子電池中的應用領域會更廣泛、更深入、更具指導性。

三、 在生物大分子體系研究中的應用

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用，甚至可以有目的地修飾酶的結構、設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘， 進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學發揮了重要的作用。在近十幾年來，由于電子計算機的飛速發展和普及，量子化學計算變得更加迅速和方便。可以預言，在不久的將來，量子化學將在更廣泛的領域發揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]程新. [ 學位論文] .武漢:武漢工業大學材料科學與工程學院，1994

[2]程新，馮修吉.武漢工業大學學報，1995，17 (4) :12

[3]李北星，程新.建筑材料學報，1999，2(2):147

[4]閔新民，沈爾忠， 江元生等.化學學報，1990，48(10): 973

[5]程新，陳亞明.山東建材學院學報，1994，8(2):1

[6]閔新民.化學學報，1992，50(5):449

[7]王寶俊，張玉貴，秦育紅等.煤炭轉化，2003，26(1):1

[8]Ago H ，Nagata K， Yoshizaw A K， et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.，1997，70:1717

[9]Ago H ，Kato M，Yahara A K. et al. Journal of the Electrochemical Society， 1999， 146(4):1262