高能散射强相互作用唯象学研究进展

高能散射是研究物质基本结构及其相互作用规律的基本实验手段,探索新物理必然涉及的强相互作用唯象分析和精确计算尤为重要.本文围绕强子产生介绍高能散射强相互作用的最新唯象学研究进展,主要包括量子色动力学微扰计算概述、强相互作用软硬界面的预禁闭结构(色连接、重子数涨落等)、色单态预禁闭集团的强子化物理图像及重要的强子化模型(弦碎裂模型、集团碎裂模型、夸克组合模型等)、强子产生涉及的相关强子结构和强子波函数的研究与应用等.     

短距离量子场论中的强子动量-多重数关联

近年CERN-UA5与NA22研究组的实验发现快度η-多重数N关联的明显标度(s~(1/2)=22—900GeV)及异常复杂的η_(cut)-N关联。这些关联有助于多重强子动力学的建立。我们将这些数据与短距离量子场的结果做比较,并确定量子色动力学(QCD)有效耦合常数α_(?)及反常量纲(玻色强子)γ_B(g_R)的数值。     

组分夸克模型与量子色动力学间的联系——Ⅰ.基本参量间的关系

量子色动力学(QCD)是强相互作用的基本理论。实验表明,QCD Lagrange量中的基本参量即流夸克质量与强耦合常数是在高能过程中所显示的。另一方面,组分夸克模型在描述低能强子的基本性质方面获得了相当成功。因此一个挑战性的问题是:组分夸克模型与QCD理论如何联系?不少理论物理学家为此进行了努力探讨,因为这一问题不仅对我们认识唯象夸克模型,且对理解低能QCD并改进对强子及其相互作用是有十分重要意义的。至今,对上述问题研究的主要进展是导出了组分夸克质量与流夸克质量间的关系。     

半导体量子点与谐振腔杂化系统的强耦合

量子比特的可扩展性是实现实用量子计算机的前提.利用微波谐振腔中的光子作为媒介实现非局域量子比特间的长程耦合与信息交换,为固态量子计算提供了一种重要的大规模扩展方案.然而由于外界噪声大、耦合强度弱等各种因素限制,在前期实验中半导体量子比特一直未能实现与微波光子间的有效信息交换,亦即未能实现比特与光子间的强耦合.近年来,随着实验上半导体量子比特的性能优化及高阻抗微波谐振腔的应用,利用微波谐振腔耦合半导体量子比特取得一系列重要突破,电荷和自旋量子比特与腔的强耦合均已实现,量子比特间的耦合距离也得到极大扩展.本文围绕半导体量子点-微波谐振腔杂化系统,简要介绍实现量子比特与微波光子强耦合的原理、实验实现及进展.     

探寻自然的数学定律——弗兰克·维尔切克访谈录

加州理工学院教授、现年58岁的弗兰克·维尔切克(Frank A.Wilczek)和蔼、幽默,被认为是最具智慧的物理学家之一.由于在量子色动力学上的贡献,他和戴维·格罗斯(David J.Gross)、戴维·普利策(H.David Politzer)-并分享了2004年度的诺贝尔物理学奖(那项工作是维尔切克在他21岁时和普林斯顿的格罗斯一起完成的).量子色动力学作为现代物理学理论基石的一部分,在欧洲大型强子对撞机(LHC)重启后不久,<纽约时报>专门采访了维尔切克.     

组分夸克模型与量子色动力学间的联系——Ⅱ.组分夸克的基本性质

实验表明,量子色动力学(QCD)理论中的基本客体是在高能过程中所观察到的“流夸克”。另一方面,组分夸克作为有效自由度在描述低能强子的性质方面取得了相当的成功,那么,组分夸克如何与QCD夸克联系?组分夸克有哪些基本性质?近20年来,这些具有挑战性的令人感兴趣的基本问题,一直吸引着不少理论物理工作者为之进行努力探讨。因为这对理解QCD的低能行为,改进对强子结构及强子间相互作用的描述和认识具有重要意义。虽然人们对组分夸克的质量与QCD夸克(流夸克)质量间的联系有了一定认识,但是至今仍不能理解为什么低能标度下组分夸克间的有效耦合强度远大于同一标度下的QCD耦合,更没有很好理解组分夸克的一些基本性质,如它的形状因子和半径等。     

质子结构与质子自旋组成是什么?

质子结构是人们对物质深层次结构认识的最前沿,高能反应实验特别是电子质子深度非弹性散射实验的开展,推动了理论研究的不断深入,发展出量子色动力学基础上的部分子模型,成为描述质子结构的标准动力学图像,更新了人们对物质结构认识的观念,也为检验量子色动力学、研究其性质与应用方法提供了一个核心前沿基地,发展出因子化定理与共线展开等重要方法.而近年来实验对质子自旋结构、质子电磁半径的测量相继引发的"质子自旋之谜"与"质子半径之谜"等,更加激发了粒子物理与核物理学界的研究兴趣,对质子结构的研究也从简单的一维纵向运动深入到包括横动量和自旋依赖的三维情形,从单纯的数密度分布扩展到各类的自旋与动量关联函数,包括描述量子干涉效应在内的阶压低的高扭度分布函数,研究内容与研究方法不断地更新.近期新的实验基地,如美国电子离子对撞机等的建设更将推动该方向研究迎来快速发展的高峰期,我国规划中的相应的大科学装置也有望在该领域的研究中发挥重要作用.     

胶子与夸克喷注中带电粒子多重数比率

高能e~+e~-湮没后电磁相互作用最初产生的一对夸克与反夸克(e~+e~-→q_00),通过强相互作用,最终碎裂成各种强子,形成2喷注事例。按照量子色动力学(QCD)理论,q_0与0都     

重味物理:通通往新物理之门

作为高能物理的重要分支,重味物理在精确检验标准模型和寻找可能的新物理信号方面发挥着重要作用.近20年来,随着B介子工厂、北京正负电子对撞机和西欧大型强子对撞机的运行,重味物理的研究取得了重大进展.两个B介子工厂发现的B介子系统衰变中的电荷-宇称联合对称性(charge conjugation and parity,CP)破坏,将有助于进一步研究宇宙中正反物质不对称性.中性正反粒子的质量差有助于进一步判定新物理的能标;重味介子非轻衰变的研究使得对量子色动力学以及因子化的研究达到新的高度;更有趣的是,目前重味物理中出现的各种反常,如RK(*)和R(D(*)),可能是新物理存在的迹象.除此之外,重味物理还是研究新强子态的重要场所.近年来在北京谱仪(Beijing spectrometer,BES-III)、B介子工厂以及LHC底夸克侦测器(large hadron collider beauty,LHCb)上发现的众多奇特强子态为研究夸克模型和量子色动力学提供了新的动力.2018年,高精度对撞机Belle-II将开机运行,国际直线对撞机、环形正负电子对撞机、超级Z工厂也在积极推进,它们在重味物理上都具有各自的优势.未来这些高精度、高能量对撞机会使重味物理进入新的黄金时期.     

发现三喷注事件并验证量子色动力学

本文报导e~ e~-→强子的数据资料的空间能量分布的分析结果,这些数据资料是在佩特拉(PETRA)对碰机的能量范围内、用MARK-J检测器得到的。定义“扁率”(Oblateness)以描述能量构形与首次明晰观察到的三喷注结构。这些数据资料能用量子色动力学所预言的产生正反夸克对与非共线的硬胶子来解释。     

分子振转动量子计算及分子振转动纠缠

随着对于量子计算(机)的深入研究, 人们相继提出了不同量子计算的模型. 近年来, 基于分子振-转激发态的量子计算模型受到了研究者的广泛关注. 研究发现, 基于分子振动和转动模式的量子计算模型可以很方便地实现多量子比特计算, 并且可以获得足够长的退相干时间. 同时, 分子振转动量子计算的数值模拟也发现各种形式的量子逻辑门均可以获得很高的计算保真度. 分子振转动模式之间的纠缠是分子振转动量子计算的一个重要资源, 因此, 分子振转动纠缠动力学的研究也引起了人们的兴趣. 对于分子振转动量子纠缠动力学的研究能够为分子振转动量子计算的进一步研究和应用提供参考. 本文对分子振转动量子计算和分子振动纠缠的研究进展做了简要综述.     

为了探索自然的对称与和谐：爱因斯坦的宏愿在实现（下）

关于强作用的各种理论中,最受人重视的是量子色动力学,它是在1964年盖尔曼(M.Gell-Mamm)和奈曼(Y.Ne'eman)提出夸克模型之后建立起来的。该模型假定,强子皆由夸克构成:重子是由三个不同“色”的各种夸克构成的色单态,而介子是由正反夸克构成的色单态。这就表明,夸克除有“味”量子数(区别夸克     

用控制非(CNOT)门组合法制备核自旋系综的有效纯态

核磁共振（NMR）是研究量子计算的实验方法之一，大多数用核自旋系综实现的量子算法的初始态均为有效纯态，因而制备出有效纯态是进行核磁共振量子计算的基础，迄今为止，如何制备有效纯态已提出了多种方案，根据控制非（CNOT）门组合法的理论，分析了奇数位和偶数位量子体系制备有效纯态的特点，并设计了制备4量子位核自旋体系有效纯态的脉冲程序，在实验上获得了实现，这种方法减少了实验的复杂程度，并具有较高的信噪比。     

非绝热量子动力学模拟方法及其在凝聚态体系中的应用

密度泛函理论(density functional theory, DFT)可以准确地预测由电子和原子核组成的普通物质的基态电子结构,而当涉及量子体系含时演化的模拟时,比如模拟超快激光与分子或凝聚态体系相互作用的激发态动力学过程,就需要发展实时密度泛函理论(real-time time-dependent density functional theory, rt-TDDFT)和非绝热动力学相结合的新颖计算方法.本文介绍了基于rt-TDDFT的Ehrenfest动力学方法,并结合路径积分分子动力学提出了RPTDAP量子动力学方法. RP-TDAP方法引入了非绝热效应和原子核的量子效应,可以对电子波函数和原子核波包构成的耦合系统进行量子化动力学模拟.这些方法使我们不仅可以准确地理解激发态电子结构、电声相互作用、光致电荷传输、光化学反应等非绝热过程的内在机理,而且可以超越平均场理论给出一个全新的视角来描述原子核的量子行为.本文还应用这些方法研究了几个重要的非绝热动力学现象,说明这些方法可以广泛地用于复杂体系的量子激发超快动力学研究.     

量子信息技术纵览

量子信息技术经过近三十年突飞猛进的发展,在理论和技术方面已经获得了举世瞩目的成就.本文主要对量子信息技术各个热点研究分支的发展进行了概括性的介绍,涉及到量子密码、量子通信、量子计算、量子模拟、量子度量学、量子信息物理基础等各个领域.此外,也讨论了原子、分子和光物理、固体物理的各个分支(超导约瑟夫森结系统、半导体量子点自旋系统、金刚石氮-空穴色心系统)、离子阱、核磁共振系统等各种物理体系在量子信息技术中的应用和发展.通过对量子信息技术的研究和积累,人们调控微观世界的能力获得了显著的提高.量子密码技术已经接近实用化,长程量子通信的原理性验证也不存在原则上的障碍.量子模拟技术快速发展,已经接近经典计算机可以模拟的极限.同时,量子度量学也获得了快速的发展.本综述不仅反映了国际量子信息技术发展的状况,而且也提炼了近年来中国量子信息科学技术在国际上取得的成就.这些成就表明,中国已经成为量子信息世界版图中一股不可或缺的力量.     

利用最优动态解耦保持固态系统中电子自旋相干性

要利用固态系统电子自旋的量子相干性,首先必须解决的一个问题就是由于与环境的耦合干扰而产生的自旋消相干.动力学解耦就是利用频闪的自旋反转与环境的平均耦合,其效果相当于与零耦合.这是对抗消相干的一种特     

低维自旋电子材料的理论设计与调控

自旋电子器件利用电子的自旋进行信息的传递、处理与存储,是未来信息技术的重要载体.低维体系具有显著的量子耦合效应,是研究电荷/自旋相互作用机制、发展纳米自旋电子器件的重要载体.由于缺陷、杂质、界面以及边界效应等提供的冗余自由度,使得长程有序磁性体系的制备、维护和调控远无法达到器件化的基本条件,寻找具有高居里温度、高自旋极化率等特性的低维材料是目前面临的挑战.基于密度泛函理论、热动力学模拟等第一性原理方法的计算结果,应用合适的物理统计模型,可以加深对低维材料结构-机制-性能的认识,为自旋电子学材料的发展提供理论支持,并通过应力和电荷掺杂,对低维材料的磁性进行调控.     

自旋为2玻色-爱因斯坦凝聚体双光学势阱中的非阿贝尔约瑟夫森效应————等

研究光与物质相互作用以及揭示新奇量子现象, 并利用其奇异性质设计新型的量子器件, 是人们长期以来感兴趣的问题. 中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室(筹)刘伍明研究小组与中山大学合作者发现, 在包含自旋为2的冷原子玻色-爱因斯坦凝聚体的两个光学势阱中可以产生一种新颖的量子效应——非阿贝尔约瑟夫森效应. 他们进一步设计了可以观察这种非阿贝尔约瑟夫森效应的真实物理系统. 相对于阿贝尔情况, 非阿贝尔约瑟夫森效应具有不同的密度和自旋隧穿特征.     

量子点敏化TiO2纳米管阵列光电极的制备研究取得新进展

窄禁带半导体量子点作为太阳能电池的敏化剂有许多优点:(1)可以通过控制量子点的尺寸调节能级结构,使其吸收光谱能够匹配太阳光光谱;(2)半导体量子点的固有偶极矩可以使电荷快速分离;(3)量子点吸收一个光子能够产生多个光生电子1),有望进一步提高光电转换效率.     

量子色动力学

1978年8月24日到8月30日,在日本东京召开的第十九届国际高能物理会议上,呼声较高的一个内容就是量子色动力学。会议期间,许多科学家的报告指出:目前基本粒子的高能实验结果与量子色动力学