导读
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普通物理：统计与量子物理
导读：王子；责编：任捷
利用快逻辑门和微势阱来扩展囚禁离子量子计算机很多基于离子阱来制作可扩展量子信息处理平台的尝试都关注离子在分隔势阱之间的穿梭。本文表明，基于一列微势阱和快逻辑门的架构，其工作性能可以超出基于离子穿梭的架构。该系统需要更高的激光功率，但是不需要操控势场和离子穿梭。这改进了光学控制途径，降低了势阱的复杂性，同时减小了接近离子的传导表面的数量。快逻辑门的使用同时解除逻辑门工作时间的限制。
文中证明，使用250mW的激光和100μm间隔的势阱，就可能实现0.001%错误率的计算。同时，对于激光重复率的限制和势阱里多离子的出现，快逻辑门的表现具有很好的鲁棒性。
对部分可区分玻色采样的高效经典算法
文中说明，对具有部分可区分性光子进行的玻色采样可以用少部分光子的干涉来表示。作者利用这项性质，提出了一种经典模拟算法，在输入光子具有部分可区分性的条件下，来模拟玻色采样器的输出结果。文中给出了使这个算法有效，即展现出量子计算优越性的限制条件。该条件给出了对不可区分性要求的下限。在这些条件下，增加光子的数量只会多项式地增加玻色采样模拟实验的计算成本。
在多项式时间内控制量子比特网络
未来的量子器件通常依赖于系统组分数量的高扩展性。为了达到需要的扩展性，很关键的一点是：实施酉变换所需的时间随着量子比特数量增大，最多以多项式的形式增长。作者给出了在各处量子比特受局域含时控制的一般量子比特网络中实现酉变换所需最小时间的一个上界。基于这个上界，可以在多项式时间内对一系列逻辑门设置给出表征。
另外，作者说明了如何将量子比特系统通过可控的两体相互作用连接起来，使得能够在整个体系上有效地实现门设置。最后，作者提出一个系统，可以使用更少的控制就可以完成门设置。
基于马约拉纳的费米子量子计算由于马约拉纳零模以非局域的方式来存储量子信息，它们免受噪音的干扰，因而可以作为量子计算机的构件。文中说明了如何利用它们对噪音的鲁棒性来实现通用的费米子量子计算。
作者提出的架构只需要两个马约拉纳模式就可以对一个费米子量子自由度进行编码。与此相对，其它的方法则最少需要四个模式才可以操控一个自旋量子自由度。费米子自由度同时支持酉耦合团簇可变分量子本征求解算法以及量子相位估计算法。由于回避了Jordan-Wigner变换，文中的设计在实施这两种算法时代价较低，因而可以用来在每次酉操作的O(1)时间模拟Trotterized Hubbard哈密顿量。
最后，作者给出本文中费米子架构的魔幻态纯化，以及受拓扑保护的费米子量子逻辑门的通用设置方法。
在几乎无公共通信条件下对连续变量量子密匙分配的参数估计在任何的量子密匙分配（QKD）方案中，参数估计都是至为关键的一步。在常规的QKD协议中，用户必须牺牲一部分原始数据才能对信道的参数（例如错误率）进行估计。因而在有限尺度下，密匙率和参数估计准确率之间存在着权衡和制约。
Cosmo Lupo等人指出，由于整个原始密匙可以在保证安全的情况下被同时用来估计参数和产生新的密匙，连续变量的QKD不受到上述制约。首先，文中给出结论：测量-设备无关（MDI）的协议具有该不受制约的性质。接着，由于MDI可以在任意高精度下模拟测量-设备有关的单向QKD，关于MDI的结论被推广到了更广义的构架。
在简单模型中使用脉冲微扰来实现具选择性的瞬时降温
Fabrizio给出了一个精确可解的选择性降温模型。当设计好的外界脉冲微扰施加在该系统上时，虽然高能量自由度被加热，但低能级的自由度反倒在瞬时被冷却。模型中包括两段自旋耦合范围无限的量子Ising链，其中高能量的一段比低能量的另一段具有更大的横向场。有限时间的微扰是通过连接两段链的自旋交换耦合强度的振荡引入的。
Fabrizio发现，低能部分的冷却随着耦合强度振荡和自旋交换激发的频率共振实现了最大化。当微扰被去掉以后，具有低横向场的Ising链甚至会在初始高于临界温度的情况下实现自发对称性破缺。
对可积的时间周期系统的加热作者考虑了一个可以映射到自由费米子模型的周期驱动的可积系统里的加热现象。
作者发现，通常出现在不可积系统的加热现象，也可以出现在可积的时间周期系统中，并且系统吸收的能量在Floquet-Magnus展开发散的临界频率附近会急剧增大。当驱动周期变长时，可以观察到关于守恒量的广义吉布斯系综等效温度趋向于无穷。使用标度分析的方法，文中揭示了：在系统尺度和驱动周期趋向无限时，长时间后的稳恒态等价于无限温度的状态。同时，也给出了稳恒态在极限附近的渐进行为。
平衡态一维系统的能量流累积量近期基于涨落流体动力学的理论预言：粒子，能量和动量守恒的一维相互作用体系的反常输运主要可以分为两个普适类。这样的分类依据守恒量平衡动力学的关联行为。一类是声模式，通过Kardar-Parisi-Zhang放缩性质来描述；另一类是扩散性的声模式。两个普适类可以通过Levy过程来描述，它们的描述具有不同的两类指数。
在文中，作者考虑了两个具体系统中的热流涨落：满足哈密顿力学的硬质微粒气体以及满足随机动力学和动量守恒的线性链。它们分别属于这两个普适类。数值仿真结果显示这两个系统热流累积量和系统尺度之间的关系完全不一样。作者根据涨落流体动力学得到的参数带入唯象的Levy随机过程模型中，解释了数值结果，给出了热流涨落的系统尺寸依赖关系。对于后一个系统，作者从更加微观的理论出发，得到了热流累积量生成函数。
它也给出了同样的系统尺寸依赖的累积量。
解决中心自旋问题的简单精确方法Lindoy等人针对超精细耦合到大量核自旋的电子自旋，给出了一种可以得到长时间自旋关联张量的精确数值结果的简单量子力学方法。这种方法不受基于代数Bethe ansatz对精确本征态进行蒙特卡罗取样（MC）时统计误差的干扰，也不受含时密度矩阵重正化群（TDMRG）方法中随时间增长的截断误差的影响。
因而，和MC方法相比，用本文提出的方法可以研究的系统空间尺寸更大；和TDMRG方法相比，用该方法可以解决的演化时间跨度更长。它是一种解决中心自旋问题的理想方法，也有可能在相关的问题中起到重要作用。
注入方案对掺杂定态的影响
作者考察了注入一维量子气体的掺杂粒子的定态性质。文章说明，杂质粒子的最终速度介于零和气体中的声速之间，并且由注入过程决定。因而，杂质的恒速运动是动力学的涌现现象，不能通过朗道在描述超流时使用的运动学限制条件来解释。作者给出在热力学极限下精确解析的结果，并且在有限尺度下通过数值计算，展现了文章所预测的现象是在超冷气体实验可验证的范围内。
引力与天体物理
导读：郭敏勇；责编：高思杰
双中子星合并中震荡模式的对流激发文章中，Roberto等人利用分段多变状态方程，实现了长时间的双中子星合并的相对论模拟（提高到合并后约140毫秒）。他们的模拟显示，合并后大约30-50毫秒，恒星的某些部分在对流的作用下变得不稳定，激发出震荡模式。激发的震荡模式将持续数十毫秒，而且有可能被计划中的第三代引力波探测器在几千赫兹的频率上观测到。
因为震荡模式依赖于恒星的旋转速率，而且是由合并后残骸的对流不稳定性引起的，因此，对这种震荡模式的观测将会是一个特别的机会，可以用来探测合并后残骸的旋转和热态性质。此外，他们的发现对研究双中子星残骸的长时演化和稳定性也有帮助。
通过宇宙学历史探讨暗物质状态方程
冷暗物质是当前自洽的宇宙学模型中重要的组成部分。当状态方程为0时，它的能量密度与宇宙体积会成反比，并且因此只需要一个数就可以唯一描述，即当前丰度。作者在z=105到z=0之间八个红移箱范围内，让状态方程分别独立变化，从而实现对暗物质逆宇宙体积定律的检验。他们利用普拉克卫星对宇宙背景辐射最近的测量数据，借助相关分析方法，发现在这八个红移箱中，没有证据支持存在不为0的状态方程。
超级神冈探测器寻找与电子相互作用的高能暗物质文章展示了利用超级神冈探测器IV数据的161.9 kt yr对高能暗物质的搜索。作者在大气中微子背景上搜索是否有过量的，可视能量范围在100MeV到1Tev之间的，指向银河系中心或者太阳的弹性散射电子。结果是观察不到过量的存在。他们计算了在银河系中心或太阳多角度锥中的，高能暗物质时间速率的限制。
他们也计算了对冷暗物质湮灭或者衰减产生高能暗物质的基准模型的限制。这是对银河系中心或太阳，在地面探测器中相互作用的，高能暗物质的首次实验性搜索。
基本粒子与场论
三维无质量玻色场的立方相互作用作者对在三维类度规公式中构造高自旋引力的非平凡拉氏量进行了初步尝试。类度规公式的一个重要特征是知道如何对物质相互作用进行描述。
作者推导了任意三元无质量场s1, s2, s3间立方相互作用的一组完整分类；这些分类是无质量高自旋场之间任意相互作用的基本构成单元。作者发现在三维情况，对于给定的三元自旋，最多只有一个顶点（s1=s2=s3=1的情况除外，该情况允许有两个顶点出现）。而对于自旋值不满足三角不等式并且有至少两个自旋大于1的情况，则没有顶点。由该性质可推导出二维共形场中高自旋守恒流的三点函数的选择定理。
另外作者推导了任意自旋与引力的相互作用形式。最后，作者认为该分类对任意爱因斯坦背景都成立。
反de Sitter空间中量子黑洞的一圈测试
作者在11维超引力框架下计算了任意视界拓扑的带磁荷的渐进于AdS4的黑洞的熵的对数修正。作者发现他们的结果与对偶场论的拓扑扭曲指数预期的微观结果完全一致。该结果依赖于外部黑洞的一个特别的极限，并且阐明了渐进AdS时空的部分量子修正的问题。
在√s=13TeV的质子质子对撞中的三带电轻子事例搜索重中性轻子CMS在LHC上对重的中性马约拉那轻子N衰变到W玻色子与带电轻子进行了搜索。搜索集中在三个由电子，缪子任意组合而成的带点轻子事例。数据对应着13TeV，积分亮度为35.9fb-1的质子质子对撞。该搜索针对1GeV到1.2TeV的N的质量段。实验数据与标准模型背景一致。
实验给出了|VeN|2以及|VμN|2的上限，此处VℓN描述了N与标准模型中微子的混合。这些限制是对N质量高于500GeV的首次直接限制也是对质量小于40GeV的首个限制。
理论
空间中安德森局域化引发的指数层次结构作者受到一维安德森局域化的启发，通过类比电子能量本征态沿着一维无序线的局域化与随机质量参数理论空间中的质量本征态的局域化，提出了四维场论中一种新的产生指数层次结果的机制。
质量本征态在任意弱的无序中都会局域化，并伴随着与理论空间格点的指数压低的耦合常数。该机制非常普适，也可能用来指数地局域化任意自旋场。作者用该机制来解释标准模型参数中的两个层次结构—小的中微子质量以及夸克质量的排序—并且进行了可能与弱电层次结构问题相关的讨论。
稀有衰变Σ+→pμ+μ−的证据
利用LHCb实验记录的质心能为7和8 TeV的质子-质子碰撞数据，Aaij等人进行了稀有衰变Σ+→pμ+μ−的搜索，相应的积分亮度为3fb-1。在背景期望之上观察到超出事例，信号的置信度为4.1个标准偏差。没有在dimuon不变质量分布中观察到显著结构，这与先前的HyperCP实验结果相反。
测量到的Σ+→pμ+μ−分支比为（2.2-1.3+1.8）×10-8，其中统计和系统不确定性均被包含在内，该结果与标准模型的预言一致。
轻子对撞机中标量场诱导的轻子味破坏过程
许多超越标准模型的新物理往往需要存在一个轻标量粒子H，它可能以味破缺的形式与带电轻子耦合并同时满足所有限制。在本文中，作者表明这类标量场可以在未来的轻子对撞机中有效地产生，其可以在壳或离壳产生并诱导轻子味破坏信号，即e+e−→ℓ±αℓβ(+H)其中α≠β。作者发现轻子对撞机可以超越现有的轻子低能限制去探测一个大的质量参数空间和LFV耦合强度。特别是，在壳模式下标量圈可以解释μ子反常磁矩。
烃中低动量转移的反中微子带电流相互作用本文报道了在低动量转移（<0.8 GeV/c）的在塑料（CH）闪烁体上的反中子相互作用的多核效应。这些数据来自费米实验室MINERvA实验的2010—2011反中微子样。当一个低能量转移的屏蔽效应和两个核子敲除过程被添加到准弹性、Δ共振和更高共振过程的相对论费米气体模型中时，这个单举样本的强子能谱可以被很好地描述。
在这个分析中，引入先前发表的中微子结果的模型元素对于这种反中微子样品具有定量相似的益处。本文展示双微分截面的结果，以加速调查反中微子-核子散射的其他模型。
自相互作用暗物质经历了暗融合吗？在本文中，作者建议二到二的暗物质融合可能是解决了冷无碰撞暗物质模式的小尺度结构问题的弛豫过程。
为了使聚变截面正确地跨越从矮星系到星系团的天文质量，我们需要释放的分数结合能大于vn～(10-(2-3))n，其中n＝1, 2取决于局部暗扇区化学。暗扇区相互作用截面的大小必须是σ<0.1–1 barn，比标准模型氘核聚变大，这表明暗核尺度为Λ~O(100MeV)。暗融合牢固地预测了低于星系团特征速度的恒定的σv。
观测到的星系团内部结构的几百公里每秒的速度色散（其中少数已经被确定）可以用来区分暗融合与暗光子模型。
夸克物质可能不奇异如果夸克物质在零温和压强下强烈地倾向于核物质，那么它早就被认为是奇异夸克物质（SQM）的形式，其具有相当的u、d和s夸克数。考虑到观察到的普通原子核的稳定性，通常只包含u和d夸克（udQM）的夸克物质的可能性已经被忽略。
然而作者发现，与普通核子和SQM相比，单位重子的udQM通常具有较低的体积能量。这出现在描述最轻的赝标量和标量介子nonets谱的唯象学模型中。考虑到有限尺寸效应，只有当重子数A>Amin（Amin~300）时，udQM才可以是重子物质的基态。这确保了普通原子核的稳定性，并指向了一种新的在周期表之外的稳定物质。
原子核物理
责编：耿立升
晶界在长期辐射下的行为
含有高比例晶界的材料是抗辐射结构材料的有力候选者。然而，在长的时间尺度下，辐射引起的晶界的微观结构行为与其影响之间的关联还没有很好的理解。本文中，作者通过有效地考虑界面微观结构的作用，发现界面处的点缺陷吸收可以被概括为在粗粒度水平上的阶跃罗宾型条件。然后，他们提出了一个与实验观测结果相符的，能够将多晶聚集体的（点缺陷）汇集强度与其晶粒尺寸联系起来的简明公式。
基于推导的模型，他们提出了一个结合晶界和点缺陷的耦合演化的粗晶粒公式，以用于研究辐照引起的晶粒的长期形态演变。他们的模拟结果表明，晶粒内点缺陷源的存在会进一步加速其收缩，并且辐射倾向于引发双边界部分的延伸。
原子、分子与光学
导读：宋新秀；责编：严运安
准确测定镝的动态极化率本文报道了在1064nm光波长下基态镝原子的动态极化率的测量实验，这对于激光捕获实验特别有意义。
作者的方法是基于光学偶极子阱中的集体振荡，并且通过与作为参照物的碱性原子（钾）进行比较，达到了前所未有的准确度和精度，得到了分别为184.4(2.4)和1.7(6)a.u.的标量极化率和张量极化率。本文的实验已经达到可对当前理论描述进行有意义测试的水平，并且为利用重镧系原子的有趣特性而进行的将来相关实验提供有价值的信息。
光与碰撞驱动的双分子光开关许多分子的形状可以通过光或热改变。
在这里，本文研究了孤立刚果红（CR）二价阴离子的由碰撞和光子诱导的EE，EZ和ZZ异构体之间的相互转换，这个双分子开关包含了两个─N=N─偶氮基团，其中每一个都可以具有E或Z结构。另外，作者还发现CR二阶阴离子的碰撞激发是单向从ZZ→EZ→EE级联到最低能量异构体，而在270-600nm范围内的单光子吸收就可以将偶氮基团从E切换到Z或Z到E，同时驱动CR双阴离子成为更低能或更高能形式。
借助于计算所得的统计异构化速率，本文实验结果表明，CR在气相中的光异构化过程涉及到通过连接激发态和基态势能面的圆锥形交叉接缝的通道，而不是通过内部转换后的基态势能表面上的异构化的通道。
强X射线脉冲下Ar团簇中辐射诱导的化学动力学本文展示了电子和离子光谱可揭示暴露于X射线自由电子激光（XFEL）脉冲下的Ar团簇中低聚物形成的细节，即X射线触发的化学动力学。
在专门的分子动力学模拟工具的指导下，作者发现范德华键、低聚物形成机制以及团簇成员间的电荷转移会显著影响由中等能量密度的XFEL脉冲引起的电离动力学。本文研究结果清楚地表明XFEL脉冲不仅可以用来“伤害和破坏”分子组成，而且还可以修饰和转变它们的分子结构。
这样所得预测的准确性使得作者有可能将团簇光谱与各自的模拟相结合，并将其应用于估计单原子多光子吸收之下的XFEL脉冲通量，这是使用其他判断工具难以达到的。
利用原子与核光谱探测长程中微子介导力在电子，质子和中子之间交换一对低质量中微子会产生一个“长程”1/r5势，这种势可以在源于原子和亚原子长度尺度的现象中去寻找。本文计算了中微子对交换对原子和原子核中跃迁和结合能的影响。
在原子s波态的情况下，由于缺乏离心屏障和中微子介导势能的高度奇异性，诱发能移有很大的增强。作者通过测量氘核结合能，正电子素、μ介子素、氢、氘的跃迁能以及钙离子中的同位素偏移，推导出了中微子介导力极限。此极限已经比现有的寻求新的宏观力实验中的中微子介质力限制提高了18个数量级。这样以来，未来的光谱实验就有可能探测到由成对的标准模型中微子和其他弱带电粒子交换来介导的远程作用力。
光子通道结构中高次谐波产生的标度律
通过量化驱动激光和高次谐波，本文提出了高次谐波产生（HHG）的一个光子通道观点。作者显示HHG产量可以表示为所有光子通道的贡献之和。从这个角度来看，特定光子通道的贡献遵循一个简单的标度律，通道之间的竞争得到了很好地解释。通过求解含时薛定谔方程，本文的预测与模拟结果非常吻合。这也可以很好地解释了非共线双色场和双色圆偏振激光场中HHG的实验结果。
利用强椭圆偏振激光脉冲研究非顺序双电离中的再碰撞
本文利用强椭圆偏振激光脉冲研究了氖强场双电离的相关电子和双电荷离子动量光谱，观察到相关电子和离子动量分布的椭圆率相关不对称性。借由一个3D半经典模型，作者证明这个现象反映了再次碰撞过程的子周期动力学。本文展示了具有椭圆极化的再碰撞直接双电离的一般物理图像，并论证了对再碰撞动力学超快控制的可能性。
砷化镓谐振器的显微纳米力学耗散
文章报告了在钳位和流体损失可忽略不计的情况下高频（≈300MHz）砷化镓光机械盘形谐振器纳米机械耗散的系统研究。结果显示声子-声子相互作用伴随着损耗背景，并在低温（3K）时消失。氧化铝在表面的原子层沉积改变了谐振器的品质因子，指出了表面耗散的重要性。温度演变通过两能级系统模型精确拟合，表明砷化镓谐振器中的纳米力学耗散直接与其微观性质相关联。
两能级系统，特别是在表面，似乎决定了在3至300K的所有温度下这种高质量的晶体纳米机械装置的阻尼和波动。
量子气体耦合到腔体中自旋纹理的形成对光学腔中的玻色-爱因斯坦凝聚的实验表明，极化效应驱动系统中磁序和密度有序相之间的竞争。本文观察到与光腔强耦合的非共振驱动的多能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体中腔介导的自旋相关的相互作用。
应用具有可调极化的驱动场，作者确定了原子极化张量的标量和矢量分量对单组分和多组分凝聚体的作用。除了矢量耦合的临界强度之外，作者从腔体输出场的分析中推断出两个内部状态的凝聚体中形成了自旋纹理。该工作为全局动力学规范领域和自洽的自旋轨道耦合气体提供了前景。
二维声子腔的量子体系
文章通过与超导人造原子相互作用而产生的真空拉比模式分裂来实现表面声波（SAW）谐振器的量子区域。由于表面声波器件由大量窄金属带组成，达到量子区域在物理上很困难，而且技术上具有挑战性。这项工作为利用声子实现量子光学现象的类似物铺平了道路，并可用于片上量子电子学。
非线性动力学和流体力学
Mie粒子螺旋度相关力的三维测量最近发现，倏逝场中的Mie粒子应该受到取决于全内反射光束螺旋度的光学力。
迄今为止，这种依赖于螺旋度的力的直观测量一直难以实现，因为在三个空间维度上力的大小相差很大，对测量的灵敏度和范围提出了严格的要求。在本研究中，Liu等人使用飞牛级灵敏度的三维力光谱技术同时测量这种偏振相关光学力的所有分量。随着入射光偏振态的变化，矢量力场与Lulu Liu等人的理论计算进行定量比较，显示出很好的一致性。
通过绘制Mie粒子响应于切换力场的三维运动，Lulu Liu等人提供了自旋动量对倏逝光场的波印廷矢量影响的视觉证据。
软X射线自由电子激光对GaFeO3二次谐波产生的元素选择性非线性光学频率转换一直面临向极端紫外和X射线区域移动的挑战。然而，极低的信号使研究人员只能进行气相或超薄膜的透射实验。
Yamamoto等人报道了固体中软X射线自由电子激光器反射光束的二次谐波产生(SHG)，这种二次谐波产生由于共振效应而增强。观察表明，过渡金属氧化物在软X射线范围内的吸收边带可以满足双共振条件，这说明共振SHG技术可以适用于各种材料。Yamamoto等人讨论了软X射线范围内具有元素选择性SHG光谱测量的可能性。
在原子时空分辨率下对等离激元场成像
Li等人提出了一个从红外条纹极紫外光发射光谱重建孤立纳米粒子等离激元近场的方案。基于量子力学模拟的光谱，Li等人演示并分析了亚飞秒时间和亚纳米尺度空间分辨率的金纳米球和纳米壳表面红外条纹脉冲诱导的瞬态等离激元场的精确成像。