一种构建参数化量子线路的区块环拓扑结构

在变分量子算法中,参数化量子线路拓扑结构的选择对算法性能具有重要意义.目前已有的拓扑结构存在一些问题,如全连接拓扑结构所需量子门数量较多,环型拓扑结构的表达能力与纠缠能力略有欠缺.为了解决以上问题,本文提出了一种新型的区块环(Block-Ring,BR)拓扑结构,在保障良好性能的同时减少参数规模(即量子门数量),降低线路复杂度.在BR拓扑中,n个量子比特被等分为多个区块,每个区块包含m个量子比特,区块内部所有量子比特两两连接,区块之间采用环型结构进行连接.为了构造BR拓扑结构的参数化量子线路,设计了一种多层线路生成算法,可自动生成由单量子比特门Rx、Rz和双量子比特门CRx或CRz构成的量子线路.IBM Q模拟实验表明,相较于环型拓扑结构,无论单层、双层以及三层BR拓扑结构的表达能力和纠缠能力均有不同程度的提升;相较于拥有最高表达能力与纠缠能力的全连接拓扑结构,BR拓扑结构呈现接近的性能指标,且线路复杂度显著降低,即参数数量与双量子比特门数量均从O(n^(2))降低为O(mn),线路深度从O(n^(2))降低为O(n/m+m^(2)).

“苹果树”型拓扑结构的《有机化学》创新教学设计

本文针对目前本科化学化工等相关专业学生在《有机化学》学习过程中存在的一些问题,注重课程的逻辑性和知识的系统性,提出了“苹果树”型拓扑结构的《有机化学》课程教学设计,采用分析和对比结构的教学方法,理论与实践有机结合,课程思政无声融入。这种创新的教学设计,教师作为引导者出现,激发学生兴趣,引导学生思考,提高学生分析和解决实际问题的能力,使学生真正成为教学的主体。

高压大容量储能功率转换系统的拓扑结构比较

高压大容量储能功率转换系统的主电路是储能电池进行充放电控制的基础,选择合理的功率转换系统主电路拓扑结构直接关系到高压大容量储能系统实际应用的可行性。分析变压器升压型变流器并联结构、H桥链式多电平变流器、全(半)桥模块化多电平变流器的单级式与双级式主电路拓扑结构,对比上述拓扑结构的材料成本、工作可靠性、材料功率损耗和输出电能质量。基于数学模型与仿真分析综合比较单位容量投资成本、工作可靠性、系统损耗和输出电能质量,结果显示H桥链式多电平变流器和半桥模块化多电平变流器更适合构建10 kV兆瓦级高压大容量储能功率转换系统。

荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙拓扑结构演变特征

[目的]认识人工柠条种植对土壤生态过程的影响,从而为人工植被的管理提供科学依据。[方法]以宁夏盐池县典型荒漠草原区风沙土生境的草地(0 a)及9,14,24,35 a生人工柠条林为对象,分别进行原状土柱采集、CT扫描及图像处理分析,获取土壤大孔隙几何分布特征,量化大孔隙表面积、等效直径和连接度等拓扑结构参数,研究了柠条生长过程中土壤大孔隙演变特征。[结果]通过三维图像可以看出,和0 a样地相比,随着林龄增加,各样地在0—200 mm土层大孔隙数量明显增多且结构更加复杂。定量分析表明,和0 a样地相比,不同林龄柠条林地在同一土层,大孔隙数量密度、长度密度、等效直径、连接度之间差异显著(p<0.05),而表面积密度、体积密度无显著差异(p>0.05)。具体表现为在0—100 mm和100—200 mm土层大孔隙数量密度、长度密度均显著增加(p<0.05),且随着林龄增加,表层土壤(0—100 mm)增幅要大于深层土壤(100—200 mm);等效直径在0—100 mm土层显著减小,在100—200 mm土层显著增加(p<0.05),而连接度变化规律恰好相反。进一步分析发现,林龄与大孔隙数量密度、长度密度、表面积密度呈显著正相关(p<0.05),与大孔隙等效直径呈显著负相关(p<0.01),与大孔隙体积密度差异不显著(p>0.05)。[结论]人工柠条林的引入会促进土壤大孔隙致密网络状结构形成,改善大孔隙表面积、连接度等拓扑结构,且随着林龄增加,对土壤改良效果越明显。

噻吩基二维共价有机框架中的拓扑结构诱导局部电荷极化促进光催化制氢

共价有机框架(COFs)是近年来新兴的一类多孔聚合物,在气体吸附、传感器、能源转换和光/电催化等领域表现出较大的应用潜力.然而,欲实现多样化的应用需求常需要对其结构进行合成后改性,这在单一步骤中难以实现.二维亚化学计量共价有机框架(2D-SSCOFs)因其独特的周期性官能团和保持结晶性及孔隙率的能力,成为COFs功能化的新途径.然而,已报道的2D-SSCOFs多具有相同的拓扑结构以及弱电荷极化等问题,限制了其应用潜力.因此,开发具有新颖拓扑结构的2D-SSCOFs对于实现更前沿的功能至关重要.窄带隙噻吩是有机半导体材料的常见单元,它们可以显著地调控共价聚合物骨架的电子和化学环境.本文通过5,5',5''-(苯-1,3,5-三基)三(噻吩-2-甲醛)(TT-3CHO)与4,4',4'',4''-(芘-1,3,6,8-四基)四苯胺(PY-4HN2)的席夫碱缩合反应合成具有大表面积和高结晶度的亚胺连接的新型2D-SSCOF(PTT-COF).噻吩环中2,5位之间的键的弯曲角度使得PTT-COF具有新型的2D亚化学计量拓扑结构,并呈现出非中心对称的优势极化结构.在使用有机空穴传输配体(二茂铁甲醛,FC)精确修饰和Pt作为助催化剂时,PTT-COF-FC体系在可见光照明下表现出较高的析氢产率(79.610 mmol g^(-1) h^(-1)).同时,在420 nm波长的光照下,2 mg的光催化剂表观量子效率达到1.72%.此外,经过24 h循环稳定性测试,PTT-COF-FC体系的活性没有明显下降.为了深入研究PTT-COF-FC体系的高效的产氢机制,通过X射线衍射、红外和固体碳谱等对PTT-COF-FC体系的组成和结构进行分析,确定了PTT-COF-FC的成功合成.通过瞬态吸收、变温荧光和理论计算等研究了材料的激子解离和载流子转移行为.结果表明,得益于独特的富含噻吩的结构设计以及有机空穴传输配体的修饰作用,PTT-COF-FC展现出高效的激子解离和丰富的自由电荷载流子特性.综上所述,本文设计和合成了一种新型PTT-COF光催化材料,其独特的二维亚化学计量拓扑结构和显著的局部电荷极化特性赋予了材料良好的光催化性能.实验和理论研究表明,PTT-COF中的非中心对称拓扑结构和噻吩单元的引入,有效扩展了π离域,进而诱导了局部极化并抑制了激子效应,从而大幅提高了光催化效率.此外,通过二茂铁甲醛的后修饰,结合这些独特的结构特性,PTT-COF在光催化析氢反应中表现出高活性和出色的长期耐久性.本文的研究不仅为设计和构建具有独特结构的新型2D-SSCOF提供新思路,也为构建具有丰富光催化功能的材料开辟了新途径.

双有源桥变换器拓扑结构与控制策略研究综述

针对功率双向传输系统中的核心—双有源桥DAB(dual-active-bridge)变换器,首先对其基本原理与拓扑结构进行概述;然后,介绍了DAB变换器单移相、双重移相、拓展移相与三重移相这4种基本调制策略;进一步地,对基于这4种调制策略的控制优化建模、优化实现进行了对比分析;最后,对DAB变换器在实际应用中所面临的问题与解决方案进行了探讨。随着直流配电、储能、分布式能源技术的进一步发展,DAB变换器将迎来广阔的应用前景。

基于改进模糊C-均值聚类的陆上风电场集电线路回路划分与拓扑结构优化

【目的】在“双碳”目标以及我国能源结构加速转型的双重驱动下,风电产业规模不断快速增长,亟须降本增效以应对平价上网压力。集电线路的造价在投资中占比较大,存在可观的优化空间。为了降低投资成本,提出了一种改进模糊C-均值(fuzzy C-means,FCM)聚类算法。【方法】利用改进FCM聚类算法对陆上风电场集电线路回路进行划分。该算法综合考虑了方位角与欧式距离,以保障回路间线路不交叉,并使相邻机组聚集到同一回路;引入机位到聚类中心距离的修正因子,通过调节其数值限制回路容量。在回路划分的基础上,利用动态Prim算法对各回路进行集电线路优化选线。最后,通过某陆上风电场算例验证方法的有效性。【结果】与只考虑方位角的聚类方法相比,考虑方位角和间距的改进FCM算法优化效果更好,单回、双回连接对应的集电线路总造价分别降低了2.6%和5.4%。【结论】所提算法能够有效降低集电线路的总造价,具有一定的应用价值,可为风电场集电线路设计提供参考。

基于生态系统服务供需与拓扑结构分析的渭河流域生态网络优化

顾及区域自然资源禀赋和人类活动水平差异,优化生态网络成为缓解景观破碎化、提高连通性的有效途径,更保障了可持续发展目标的实现。在定量测度渭河流域2000、2010及2020年5项生态系统服务供需的基础上,引入景观生态学与复杂网络理论构建并分析该流域生态网络的时空格局及其网络拓扑结构特征,以供需比与源地节点的拓扑结构综合重要性之间的相关性为依据优化生态网络。结果表明:1)与2000年相比,2020年食物生产、土壤保持以及产水的供需比平均值分别上升70%、7%以及215%,而碳固定与生境质量则分别下降97%与1%。2)生态源地数量与占总面积比分别为125个和36%,生态阻力呈现“南低北高”的空间特征,约有280条平均长度为15 km的生态廊道,流域生态质量有所提升。3)2000、2010及2020年生态网络在面对蓄意攻击时,结构连通鲁棒性平均值依次为0.160、0.168以及0.150,说明2010年生态网络具有更稳定的网络结构;源地拓扑结构综合重要性与各类服务供需比均呈正相关,其中与碳固定服务供需比相关性最高,为0.51(P<0.001)。4)优化后的生态网络(2020年)在面对蓄意攻击时具有更高的连通鲁棒性,同时在一定攻击节点范围内表现出更为显著的“涌现”现象,优化后的网络具备更强的恢复力和缓冲力。研究结果可为渭河流域优化生态网络结构、提高生态系统抗干扰能力提供科学依据,也可为流域生态空间规划提供借鉴参考。

揭示配体拓扑结构对Fe-N_(x)-C单原子催化剂表面氧还原反应中间体吸附的影响

过渡金属单原子氮掺杂碳催化剂(TM-N-C SAC)因其更高的金属原子效率而被认为是提升氧还原反应(ORR)效率的重要途径.TM-N-C SAC反应中心的活性与配体结构密切相关,构建基于配体结构的ORR活性描述符是高效设计高催化活性单原子催化剂的关键.然而目前大多配体描述符基于催化剂的综合表观性质,如OH吸附能和金属中心d带中心等,其获取仍需进行额外计算,不利于通过配体结构快速推测反应活性;而目前基于配体结构拓扑参数,如金属中心原子及其配位原子属性、数量等设计的描述符存在对催化活性的描述较差或仅适用于特定配体等问题.解决该难题的关键在于理清OH与TM-N-C SAC成键的微观机制.本文全面考察了ORR中间体OH在21种具有不同氮原子数量、位置以及不同配体尺寸的卟啉型FeNxC SAC表面上的吸附机制.对有限尺寸卟啉型Fe-Nx-C(x=0-4)SAC模型上OH吸附的密度泛函理论计算结果表明,OH吸附能与SAC的配位氮原子的数量并不线性相关,且受氮原子排布方式的影响.利用能量分解分析(EDA)将OH与SAC的成键作用分解,重点讨论氮的掺入对静电作用、泡利排斥作用和轨道作用的影响.针对静电作用,Bader分析与电荷密度差值分析结果表明,氮的掺入一方面将电荷向配位原子上聚集,且配位原子上电荷数随氮原子数量增加而线性增加;另一方面大幅增强铁-配体键(Fe-L)的离子性,减少铁与配体间的电子密度,提高铁中心电子能量,并从而改变静电作用能量.对于泡利排斥作用,其影响因素与静电作用类似,因而作用强度与静电作用强度呈较好线性关系.对于轨道作用,结合扩展过渡态-化学价的自然轨道(ETS-NOCV)和电子定域化(LOL-π)等综合分析发现,氮原子的掺入破坏了配体的离域π键,从而影响OH与配体的轨道在成键时的相互作用.此外,对配体大小影响的研究表明,配体边缘原子仅当出现在包含配位原子的环上时才对OH与SAC成键有较大影响,这充分证明了OH吸附这一过程的局域性.综上,本文提供了Fe-N-C型SAC上完整的OH吸附键形成机制,强调了配位原子及其近邻原子对吸附活性的影响,为构建基于SAC拓扑特征的ORR活性描述符,实现SAC配体的快速筛选提供参考.

基于拓扑结构分析的断层连通性评价——以川南泸州中区深层页岩气储层多级断层为例

川南深层页岩气是中国天然气增储上产的重要领域。断层连通性是影响深层页岩气储层渗透性能、单井产能的重要因素,前期多针对断层形态、组合样式开展研究,鲜有断层连通性的系统量化评价。研究以川南泸州中区五峰组页岩气储层多级断层为研究对象,利用拓扑结构分析方法研究断层网络拓扑结构,并对其连通性进行定量评价,结果显示:泸州中区五峰组断层发育,断层网络分支的平均连接点数为1.12,可形成高渗通道,有利于页岩气的运移。研究区中部及南部断层产状分散度、断层长度分散度和断层密度均较大,连接型节点、分支数量多,有利于提高断层连通性,其连通性评价结果优于其他区域,具备一定的潜在高产井可能。

基于多元级差优良化遗传算法的环境拓扑结构任务调度

在国家深入推进“东数西算”工程的背景下,算力网络中心的环境部署调度面临许多挑战,如环境的数量、大小、拓扑结构复杂度、依赖约束和网络传输量等不确定因素。为了应对这些限制因素,提出一种多元级差优良化的遗传算法(Diverse Hierarchical Difference Optimization Genetic Algorithm,DHDO-GA)。该算法以任务执行跨度makespan和资源利用率最优化为目标,同时考虑资源的负载均衡。为了更好地引导整个种群向全局最优解快速聚拢,该算法根据适应度值和相似度将染色体分布在不同的层级,并将其抽象聚类成精英种群。仿真实验表明,DHDO-GA算法优于传统遗传算法和几种改进的遗传算法,在搜索能力、算法稳定性以及结果质量和可靠性方面具有更大的优势。

拓扑结构对二维手性负泊松比结构抗冲击性能的影响

柔性材料实现可变形机翼技术对柔性材料力学性能要求较高,现有对于手性结构作为柔性材料驱动可变形机翼的研究以线性小变形为主。为了探究大变形条件下手性结构的力学性能,以三韧带手性、三韧带反手性、四韧带手性、四韧带反手性、六韧带手性的负泊松比结构为研究对象,基于蜂窝结构力学理论,对比分析拓扑结构和胞元几何参数对理想塑性材料本构模型的手性负泊松比结构面内压缩吸能特性的影响。结果表明:手性结构的弹性模量、平台应力和吸能能力与胞元参数α成反比,与胞元参数β成正比;拓扑结构对手性结构吸能特性影响明显,即具有相同单胞几何参数的手性结构吸能能力随着韧带数量的增加显著增强。

珠江口盆地文昌A凹陷西部地区断裂体系的拓扑结构、分形特征及其与油气藏分布的关系

为明确含油气盆地中断裂体系结构特征与油气藏分布的关系,文章以珠江口盆地珠三坳陷文昌A凹陷西部地区为研究对象,在对各层系断裂精细解析的基础上,通过对断裂网络体系的节点、分支类型分析及分维值计算,定量表征了研究区断裂网络体系的拓扑结构及分形特征,并就断裂网络体系拓扑结构、分形特征与油气藏分布的关系进行了探讨。研究结果表明:受控于区域拉张应力顺时针方向的转变,研究区断裂发育以NE向为主转变为以NWW向为主;不同层系断裂体系的拓扑结构具有差异性,珠三南断裂、珠三6号断裂和珠三2号断裂附近拓扑值较高,由深至浅断裂体系的I节点的比例逐渐增大,Y、X节点的比例逐渐减小,I-I分支的比例逐渐增大,I-C、C-C分支的比例逐渐减小,连通性由好变差;不同层系断裂体系的分形特征具有时空差异,NE向断裂带和NW向断裂带交汇区分维值较高,由深至浅断裂体系的分维值先增大后减小,复杂程度先增强后减弱;断裂体系的拓扑结构、分形特征与与油气藏分布具有良好的耦合关系,高拓扑值与高分维值的叠合区是油气成藏的有利区。

具有内表面拓扑结构的仿生血管设计与制备

针对临床人工血管不具备诱导内皮化的内表面微结构,无法为内皮细胞生长提供合适的力学环境的问题,设计并制备了一种具有内表面拓扑结构的仿生血管(BVST),实现了壁面剪切力的优化分布。基于内皮细胞的形态分布,设计了具有正交、菱形、圆弧三种内表面拓扑结构的仿生血管。通过仿真分析,发现正交与菱形结构的BVST对血液流速影响较小,周期波动相近,且BVST的内表面拓扑结构能减缓细胞流速、增加细胞滞留时间,有利于内皮细胞在进行体外培养时沉积、黏附在BVST内表面。通过对比BVST与无拓扑结构仿生血管的剪切力分布,发现BVST整体剪切力分布更加均匀。分析单个拓扑单元内的剪切力分布,发现菱形拓扑单元内部剪切力分布均匀且连续,剪切力变化较小,有利于内皮细胞的生长。将聚己内酯(PCL)溶于二氯甲烷(DCM)配制质量分数35%的PCL-DCM溶液,采用内径为0.2 mm的针头,在移动速度40 mm/s、电压5.8 kV、针头高度1 mm、挤出气压0.05 MPa的条件下,基于电纺直写技术制备具有拓扑结构的仿生血管内膜;将拓扑结构浸水黏附在纺丝收集柱,基于静电纺丝技术制备仿生血管外膜,获得具有内表面拓扑结构的双层仿生血管。提出的仿生血管设计与制备工艺可为血管内皮化研究提供参考。

基于拓扑结构的度量学习与拓扑传播的miRNA-疾病关联预测算法

miRNA的突变和异常表达可能导致各种疾病,因此预测miRNA与疾病的潜在相关性对于临床医学和药物研究的发展具有重要意义。拓扑结构是miRNA-疾病预测算法的重要组成部分,然而当前算法并未有效利用拓扑结构导致预测结果并不理想。与此同时,如何有效地融合多源数据也是当前的研究趋势。针对上述问题,提出一种自适应融合异质节点结构信息算法(MMTP),通过利用节点的一阶邻居和元路径诱导网络学习结构特征,并利用度量学习和拓扑传播自适应地融合异质节点结构信息,以提升miRNA-疾病预测精度。5折交叉验证实验结果表明,MMTP在HMDD v3.2数据集上的受试者操作曲线下面积(AUC)为94.81,高于其他模型。并且在基于肾癌的案例研究中,该模型所预测的前30个miRNAs全部得到证实。上述研究证明,所提的MMTP模型可有效预测miRNA-疾病相关性。

静电纺丝纳米拓扑结构材料在间充质干细胞成骨分化中的应用

在骨组织工程领域,通过物理刺激形成生物信号来调控间充质干细胞的增殖和定向分化是最简单、有效的方式。静电纺丝技术是制造纳米纤维支架较理想的技术之一,通过静电纺丝技术制成的纳米纤维可以模拟出近似细胞外基质的纳米结构,促进间充质干细胞的增殖及分化。本文综述了近年来静电纺丝纳米拓扑结构的发展及对间充质干细胞成骨分化的影响。

基于拓扑结构分析的地景建筑外部空间特征研究

采用拓扑结构分析方法与Depthmap软件数据分析,探索地景建筑外部空间特征和设计优化策略。运用拓扑关系将建筑空间转化为拓扑节点,并以深圳万科云城设计公社为案例,建立地景建筑外部、内部、交通等空间之间的拓扑关系图解,基于图解探究其空间的关联、同构特征和规律,揭示了地景建筑外部空间拓扑关系构型特征。在拓扑结构与软件数值分析的基础上,从定性与定量两个角度总结了地景建筑中地上、地表和下沉三类外部空间特征与设计优化策略,为地景建筑外部空间设计提供理论依据。

纤毛蛋白TMEM138的保守性及拓扑结构

TMEM138是一种纤毛蛋白,其缺失会导致系统发育性纤毛病-Joubert综合征。为解析其致病的分子机制,本文对TMEM138进行了保守性分析和拓扑结构研究。选取8个代表性物种分析TMEM138蛋白一级、二级和三级结构的保守性,确定了TMEM138的跨膜结构域最为保守,是实现其功能的重要结构基础。通过构建TMEM138体外过表达载体并结合活细胞染色技术,首次验证了TMEM138的膜定位和其拓扑学结构,该结论可为TMEM138的研究提供进一步的帮助。

动态拓扑结构混合粒子群算法及其应用

针对传统粒子群算法面对较高维度参数整定问题时所表现出的寻优速度慢、易陷入局部最优解的问题,提出一种动态环形拓扑结构混合粒子群算法(DynRing-hfpso)。该算法以粒子群算法为基底,融合萤火虫算法的优点,通过定义选择逻辑使粒子在迭代过程中各自独立地交替进行全局搜索与局部探索,并以自适应的粒子速度与位置约束方法提高算法在迭代过程中信息的利用率。对粒子群拓扑结构进行改进,以动态多邻域环形拓扑结构提高搜索空间覆盖能力,均衡收敛速度。设置动态性能分析以及消融实验,验证算法中粒子分布质量与改进措施的有效性。采用分数阶比例-积分-微分(FOPIλDμ)控制下的速度伺服系统作为应用场景,将该算法与其他四种算法进行对比。结果表明,DynRing-hfpso算法较已有的元启发式优化算法有更快的收敛速度与更优的收敛精度,且在多次实验中展现出更强的鲁棒性。

分子结构和拓扑结构选择性调控PMA型添加剂的性能

黏度是润滑油分级与选用的重要指标,合适的黏度是充分润滑的保证。在众多的润滑油添加剂中,降凝剂和黏度指数改进剂被认为是调节油品黏度、确保油品具有出色低温流动性和卓越黏温性能的关键。甲基丙烯酸酯类聚合物(PMA)具有灵活的结构可调变性和较强的合成工艺适应性,在降凝剂和黏度指数改进剂领域占有重要的地位。基于此,综述了PMA添加剂在改善润滑油低温流动性和黏温性能方面的作用机理,重点讨论和总结了PMA分子结构和拓扑结构对其产品性能的影响机制,展望了PMA添加剂未来的发展方向。