PRL导读-2018年120卷23期
2018/6/18 10:23:47 中科院物理所
序
言
本着服务于中国物理学者和物理专业研究生的宗旨，根据PRL摘要和引言对本期所有文章进行中文导读。由于水平有限，不免出现一些不准确的地方乃至错译的地方。公众号下方有留言功能，欢迎专家学者通过留言指出不准确或错译的地方，共同提高公众号的服务质量。留言经编辑确认后，会显示在文章下方，供后来浏览者参考。
普通物理：统计与量子物理
责编：涂展春
用旋转磁场对量子气体中的
偶极-偶极相互作用进行调制
Tang等人通过快速旋转原子偶极子的取向演示了对镝玻色-爱因斯坦凝聚物内的磁偶极子偶极相互作用(DDI)的调制。在飞行时间( time-of-flight )扩展后，偶极平均场能量的可调制性表现为气体纵横比的修正。作者证明，DDI的大小和符号都可以使用这种技术来调制。特别地，作者发现了一个神奇的旋转角，在该旋转角上可以消除平均场DDI。并且在这个角度上，他们观察到凝聚物的膨胀动力学与对非偶极气体的预测相近。DDI强度的可调制性为奇异孤子、涡旋态、异常量子晶格相以及Weyl超流体的形成开辟了新的途径。(马宇翰)
Tuning the Dipole-Dipole Interaction in a Quantum Gas with a Rotating Magnetic Field
Yijun Tang, Wil Kao, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 230401 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230401
强幺正性与重叠不确定性关系：
理论与实验
Bong等人推导并在实验上研究了一个适用于任何n维幺正算符的强不确定性关系。这一结果表明标准不确定性关系和其他一些不确定关系只是一些特殊的例子。另外，该结果也可以用几何相位来表示。这一强不确定性关系被任意n维量子系统的每个纯态所饱和。对于任意n+1维纯态的跃迁几率而言，它能生成一个紧致的重叠不确定关系，并给出了非时间关联函数的上界。作者使用光子偏振量子比特，通过对广义几何相位的干涉测量，测试这些不确定关系以及重叠不确定关系下的最小不确定态。(马宇翰)
Strong Unitary and Overlap Uncertainty Relations: Theory and Experiment
Kok-Wei Bong, Nora Tischler, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 230402 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230402
飞行时间测量是观察
任意子统计的一种可能方法
Umucal?lar等人提出了一种标准的飞行时间实验，用以观察超冷原子的分数量子霍尔态中准空穴的任意子统计。利用局域势囚禁准空穴并测量自由膨胀云半径平方的期望，可以稳定的制备出准空穴态。它与初态的平均总角动量有关，为统计相位提供了直接特征。对于包含相当数量粒子的具有 ν=1/2 和 1/3的分数量子霍尔液体，作者用蒙特卡洛计算验证了他们提出的方法。本文还对在光量子霍尔液体和非阿贝尔任意子中的推广进行了简要讨论。(马宇翰)
Time-of-Flight Measurements as a Possible Method to Observe Anyonic Statistics
R. Umucal?lar, E. Macaluso, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 230403 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230403
掩蔽量子信息是不可能的
编码在复合量子态中的经典信息可以被完全的隐藏在约化的子系统中，并且只可能在关联中被发现。对量子信息而言也是如此吗？如果量子信息被隐藏在子系统上并通过量子关联扩散，我们可以称之为量子信息的掩蔽。Modi等人证明，除了某些受限的非正交量子态，掩蔽量子信息对于任意量子态来说是不可能的。这一结果表明，一种更强版本的量子比特承诺(quantum bitcommitment)——“量子量子比特承诺”(quantumqubit commitment)一般来说是不可能实现的。本文的发现可能在密钥共享和未来的量子通信协议中具有潜在的应用。(马宇翰)
Masking Quantum Information is Impossible
Kavan Modi, Arun Kumar Pati, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 230501 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230501
面向有光子损耗的可扩展玻色采样
[编辑推荐语]本文发展了一种基于光子的用于演示量子比经典机器优势的方法，可以处理光子损耗，也使实验更为便利。
玻色采样是一个定义明确的任务。这一对经典计算机而言非常棘手的问题，可以用一个特定的量子模拟器来有效的解决。然而，大规模玻色采样实验遇到的一个突出问题是其可扩展性。在本文中，Wang等人完成了一个具有光子损耗的玻色采样实验。他们的实验表明，伴随少量光子损失的玻色采样具有较高的采样率。作者在实验中使用量子点微柱(quantum-dot-micropillar)单光子源多路解编成具有七个输入端口的16×16模超低损耗光子电路，他们检测了三，四和五倍符合计数。作者实现并验证了有一个和两个光子丢失的有损玻色子采样。进一步，他们测得在有两个光子丢失的情况下对五、六和七个光子玻色采样率分别为187、13.6和0.78 kHz。这些结果分别是相应的标准玻色采样率的9.4、13.9和18倍。本文报道的实验结果表明，该研究所提出的方法可以显著地提高多光子玻色采样的采样率。(马宇翰)
Toward Scalable Boson Sampling with Photon Loss
Hui Wang, Wei Li, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 230502 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230502
用精确的维度见证
证明不可约1024维光子态
Aguilar等人报告了一类基于量子随机存取码的新型维度见证(Dimension Witnesses)。量子随机存取码是所记录统计数据的函数，它对于高维物理系统所有可能的分解具有不同的边界。因此，它可以证明系统的维度，并具有识别高维系统是否可以在低维子系统中分解的显著特征。为了展示该技术的实用性，作者使用它在实验上证明了不可约1024维光量子态的产生。因此，证明了该状态不是多个部分的或是使用单光子的多个非耦合自由度进行编码的。作者发展的协议可以广泛的用于现代量子信息实验，以解决高维量子系统的产生，这种情形下量子层析成像可能变得棘手。(马宇翰)
Certifying an Irreducible 1024-Dimensional Photonic State Using Refined Dimension Witnesses
Edgar A. Aguilar, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 230503 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230503
本征态热化的动力学典型性方法
Reimann考虑了孤立量子多体系统微正则能量壳内的所有初始状态构成的集合，它对于某些给定的可观测量A表现出任意但固定的非平衡期望值。在这一集合不太小的条件下，作者利用动力学典型性方法证明了大多数这样的初始状态都表现出热化，当且仅当A满足所谓的弱本征态热化假设(wETH)。在这里，热化意味着在初始的瞬态消失后，A的期望值大部分时间都接近微正则值。wETH意味着，在能量壳层中，相关系统哈密顿量的大多数本征态表现出与A非常相似的期望值。(马宇翰)
Dynamical Typicality Approach to Eigenstate Thermalization
Peter Reimann
Phys. Rev. Lett. 120, 230601 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230601
量子库控制实现的非保守力
Vuglar等人设计了一种沿着预定轨迹操控量子波包来控制耗散环境的系统方法。这种方法在以下几个例子中得以展示：环境辅助隧穿、囚禁、有效质量测定和赝相对论行为。作者发现非保守随机力并不必然导致退相干，系统仍旧能够很好地保证纯度。这些发现凸显了由非平衡量子开系统动力学给出的灵活性。(刘宁)
Nonconservative Forces via Quantum Reservoir Engineering
Shanon L. Vuglar, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 230404 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230404
马约拉纳时间晶体中非阿贝尔分枝的模拟
离散时间晶体已经吸引了相当多的理论和实验研究，但是它们潜在的应用仍然还没有被发掘。Bomantara和Gong在一个适应于两个不同种类拓扑边缘模的周期驱动的超导线中发现了一种特定的离散时间晶体，名为“马约拉纳时间晶体”。进而作者证明，可以在时间晶体中操纵不同的马约拉纳边缘模并使之分离，这导致了一种对于拓扑保护门操作模仿分枝未曾预见的情况。他们提议的方案也可产生一个神奇的态，这个态对于一般量子计算是重要的。此项研究进一步推进了对离散时间晶体的量子控制，并且揭示了它们由于时域性质带来的巨大潜能。(刘宁)
Simulation of Non-Abelian Braiding in Majorana Time Crystals
R. Bomantara and Jiangbin Gong
Phys. Rev. Lett. 120, 230405 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230405
在玻色-哈伯德三聚物中由于量子态制备
所带来的介观动力学的差异
传统观点认为量子效应将伴随体系粒子数量的增加而趋于消失，与此同时，系统的演化将会越来越接近平均场经典方程描述的行为。在这篇文章中，Olsen等人结合最新的理论和实验技术提出并分析了一个实验，这个实验使用玻色-哈伯德三聚物，出现了与之相反的情况。作者发现中空三聚物的制备差异很容易导致后续动力学的可观测差异，这种差异随着系统尺寸增加而增加。重要的是，这些差异可以由对原子数的简单测量来探测。(刘宁)
Mesoscopic Dynamical Differences from Quantum State Preparation in a Bose-Hubbard Trimer
M.K. Olsen, T.W. Neely et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 230406 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230406
相干性的鲁棒性具有的
可观测性与可操作性的实验证明
对于各种各样的量子技术而言，量子相干是一种非常重要的物理资源。相干性的鲁棒性(ROC)作为量化相干性的一种真实度量，不仅具有数学上的严格性，而且具有物理意义。Zheng等人在实验上证明了多量子比特核磁共振系统中ROC具有可操作和见证可观测的特征。在一次实验中，作者通过检测量子系统的布居数，实现了见证测量。这种方法也可以应用到与系综或者非破坏性测量相一致的物理系统。此外，本文从实验上展示了ROC可以量化量子态在相位识别中带来的优势。(刘宁)
Experimental Demonstration of Observability and Operability of Robustness of Coherence
Wenqiang Zheng, Zhihao Ma et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 230504 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.230504
引力与天体物理
导读：郭敏勇；责编：高思杰
天体物理引力波背景角功率谱的
首次预测
文章中，Cusin等人给出了对天体物理引力波背景的角功率谱的首次预测，其中引力波背景包括已经解决的和尚未解决的所有天体物理源的辐射。形状和幅度由星系尺度的天体物理学特性和宇宙学特性两方面共同决定。他们指出，角功率谱在大尺度上表现为Cl~1/l，信号的相对波动在100Hz时为30%。他们还介绍了天体物理引力波背景与弱透镜和星系分布的联系。另外，这些数值结果为广义相对论、天体物理学和宇宙学之间的交叉研究铺平了道路。
First Predictions of the Angular Power Spectrum of the Astrophysical Gravitational Wave Background
Giulia Cusin, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 231101 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231101
原初黑洞周围的超辐射云中
受激轴粒子衰变
超辐射不稳定性可以导致在转动黑洞的周围产生极密的轴粒子云。Rosa和Kephart发现，尽管量子色动力学轴粒子比自发衰变光子对的寿命长，但是受激衰变明显高于最小的轴粒子密度，因此会产生非常明亮的激光。激光阈值可以达到轴粒子质量μ>~10-8eV，意味着发生超辐射不稳定性的原初黑洞质量约小于等于0.01太阳质量。虽然后者在形成中被预期没有旋转，但是后续的合并会产生大量的转动黑洞。他们进一步说明，激光可以通过Schwinger对产生进行淬火，在轴粒子云中产生临界电子-正电子等离子体。一旦通过湮灭将等离子体密度降低到足够程度，激光仍然可以重新启动，最终导致多次激光爆发，直到黑洞转速降低到足以抵消超辐射不稳定性。特别地，当轴子质量为~10-5eV，原初黑洞质量为~1024kg，这时可以解释为宇宙的所有暗物质，并导致在GHz射频范围内产生毫秒爆发，峰值亮度为~1042erg/s，暗示可能与观察到的快速射电暴有关。
Stimulated Axion Decay in Superradiant Clouds around Primordial Black Holes
J. Rosa and Thomas W. Kephart
Phys. Rev. Lett. 120, 231102 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231102
旋转黑洞时空的有质量矢量场：
可分离性和准正模
文章中，作者证明了任意维一般Kerr-NUT-AdS黑洞时空的有质量矢量(Proca)场方程具有可分离性，填补了长期存在的文献空白。对于四维克尔几何，他们对得到的分离方程进行了更详尽的研究，计算了相应的准正模。在分离假定下，Proca场三个独立极化模式中的两个来自可分离形式，这个结果与最近被发现的数值结果高度一致，而且在该数值计算中，使用的是全耦合的偏微分方程，并没有借助可分离性质。
Massive Vector Fields in Rotating Black-Hole Spacetimes: Separability and Quasinormal Modes
Valeri P. Frolov, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 231103 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231103
粒子物理
责编：晁 伟、刘晓辉
从流体动力学得到的黑洞扰动
作者主张用来抽取有全息对偶的强耦合量子理论中的扰动率的引力激波直接与探测系统的流体动力学的声模有联系。从激波中还原的信息可以通过在具有一定性质的单边黑洞视界处的纯粹的类扩散的线性化引力波重建。在两重微分的体理论中，这种视界扩散可以通过一种简单的关系与更晚时间的动量扩散相关联，这种关系在更高阶微分理论中则会失效。作者证明了同样值的虚频率与动量满足流体动力学声模的色散关系。频率、动量以及群速度给出了全息Lyapunov指数以及蝴蝶速度。另外，在该特殊点并沿着声模色散关系曲线，延迟径向的两点张力-能量张量函数为零。这建立了在解析沿拓，虚动量处的流体动力学声模以及全息蝴蝶效应间的直接联系。进一步地，作者的结果暗示了无穷强耦合，大NC的全息理论有着与经典稀疏气体类似的性质。在那里，更晚时间的平衡和更早时间的扰动被同样的动力学所左右。
BlackHole Scrambling from Hydrodynamics
Sa?o Grozdanov, et al
Phys. Rev. Lett. 120, 231601 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231601
致密QCD媒质中喷注的类真空碎裂
作者研究了在致密的夸克-胶子等离子体中传播的喷注的碎裂。通过使用量子色动力学中领头双对数近似，作者首次计算了媒质对于多重类真空辐射的影响。作者证实了由于与等离子体散射，在媒质中的部分子簇射与在真空中的簇射有两个重要的区别：簇射的相空间减小了并且第一个在媒质外的辐射可以违反角度顺序。作者计算了喷注的碎裂函数并发现其结果与LHC的测量定性吻合。
Vacuumlike Jet Fragmentation in a Dense QCD Medium
P. Caucal, et al
Phys. Rev. Lett. 120, 232001 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.232001
在欧洲核子中心的NA64实验中寻找
假想的16.7MeV的规范玻色子与暗光子
[编辑推荐语]用来搜索与电子耦合的轻玻色子的实验数据把用来解释8Be?衰变中的反常现象的理论相空间排除掉了一半。
文章报道了首个直接搜索16.7MeV规范玻色子(X)的结果。该玻色子可以解释在激发8Be?衰变中观测到的e+e-的反常超出现象。由于该粒子与电子耦合，X可以通过将100GeV的e-束流打在N64活性靶过程中的轫致辐射e-Z→e-ZX机制产生，并通过X衰变到e+e-来观测。通过对5.4×1010个电子观测，没有发现存在X的证据。实验因此可以对X-e-耦合做出首个限制为1.3×10?4?εe?4.2×10?4并排除了部分之前允许的参数空间。通过对没有观测到质量小于23MeV的A’→e-e+的衰变，实验还给出了光子与暗光子混合强度的新限制。
Searchfor a Hypothetical 16.7 MeV Gauge Boson and Dark Photons in the NA64 Experimentat CERN
D. Banerjee et al. (NA64 Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 120, 231802 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231802
观测到正反顶夸克
与希格斯粒子伴随产生
[编辑推荐语]CERN的质子对撞实验提供了希格斯粒子与最重夸克间相互作用的新的掌控。
本文报道了在质心能量为7、8以及13TeV，积分亮度为5.1、19.7以及35.9fb-1的质子质子对撞的联合分析中，观测到希格斯粒子与正反顶夸克对的伴随产生。数据由CERN LHC的CMS探测器收集。分析将希格斯伴随正反顶夸克对的产生并衰变到W，Z，光子，τ轻子或者底夸克喷注的统计独立的结果合并起来，从而最大化灵敏度。在5.2标准误差的显著偏差，实验发现了对于只存在背景假设的事例的超出。对应的，对于质量为125.09GeV的标准模型希格斯粒子来说该期望显著度为4.2标准差。合并后对归一化到标准模型的信号强度最好的拟合结果为1.26+0.31-0.26。
Observationof t ˉ t H Production
A. Sirunyan et al. (CMS Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 120, 231801 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231801
从奇点以及规范不变性
得到散射振幅的定域以及幺正性
Nima等人猜测胶子与引力子的领头双微分树图振幅可以通过规范不变性以及对他们奇点结构进行略微的假设得到。假设定域的成立，作者证明了在n-1粒子中的规范不变性加上最小power counting唯一地确定了振幅。因子化形式中的幺正性由定域性以及规范不变性得到。作者还对一个更强的假设给出了证据：假设奇点仅仅在外动量在壳时候出现，作者通过非平凡的例子显示了规范不变性以及power counting对图的奇点有要求。对Goldstone玻色子的理论，如非线性sigma模型以及Dirac-Born-Infeld理论，通过把规范不变条件用在软极限下适当的自由度消失来替换，则同样的结论依然适用。
Localityand Unitarity of Scattering Amplitudes from Singularities and Gauge Invariance
Nima Arkani-Hamed, et al
Phys. Rev. Lett. 120, 231602 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231602
原子核物理
责编：耿立升
对含顶夸克的夸克胶子
等离子体的时间结构的探究
夸克胶子等离子体是从高能核碰撞过程中产生的，它的寿命只有几个 fm/c，它一旦产生后马上就会经历一个快速膨胀以及冷却的过程。尽管一些间接的探测，如喷射淬火和夸克偶素抑制等，揭示了夸克胶子等离子体随时间演化的部分信息，而流体力学模型对夸克胶子等离子体随时间演化的性质也给出了很好的描述，该体系随时间演化的直接测量依旧是一个难题。Apolinário等人指出对 W 玻色子的强衰变过程，尤其是衰变成顶夸克和反顶夸克对的过程，进行研究，可以为理解夸克胶子等离子体的时间结构提供新的信息。这是由于高能核碰撞的瞬间与W 玻色子的衰变产物开始和介质发生相互作用的时刻存在时间上的延迟。此外，时间延迟的长度可以通过选择重建特定的顶夸克的动量来约束。作者通过蒙特卡罗可行性分析发现欧洲核子中心的大强子对撞机(LHC)有望给出第一个有限的夸克胶子等离子体时间结构信息。LHC重离子亮度的大幅增强或者未来更高能量的加速器都将为更多的扩展研究提供难得的机会。(肖杨)
Probing the Time Structure of the Quark-Gluon Plasma with Top Quarks
Liliana Apolinário, et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 232301 (2018)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.232301
58-63Cr质量的精确测量：
朝着N=40反转岛的原子核集体性
ISOLDE装置首次产生并测量了丰中子同位素58-63Cr的质量。相比原有数据，新的数据精确了300倍并且暗示了显著不同的原子核结构。在这个质子和中子的中间壳区域，形变逐渐开始出现，这是N=40附近第二个反转岛的通道。除了与密度泛函理论和大规模壳模型计算进行比较，他们还展示了基于介质相似重整化群价空间表示的从头计算方法的预言，这是开壳铬同位素的首次该类结果。(王亚坤)
Precision Mass Measurements of 58-63Cr: Nuclear Collectivity Towards the N=40 Island of Inversion
M. Mougeot et al.
Phys. Rev. Lett. 120, 232501 (2018)
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.120.232501
利用CUPID-0得到的82Se
零中微子双beta衰变的首次结果
[编辑推荐语]CUPID-0实验将
编辑：Aprilis
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