PRL导读-2024年133卷01期

众所周知，在贝尔型实验中所能观察到的统计量的集合受到量子理论的限制。不幸的是，没有工具来确定这个集合的精确边界。在这里，作者提出从对偶的视角来研究量子统计量的集合。通过考虑由给定实现饱和的所有贝尔表达式，作者展示了Clauser-Horne-Shimony-Holt表达式可以分解为由作者辨别的极值Tsirelson不等式。这为(2,2,2)场景中量子集合的几何结构带来了新的见解。此外，这允许作者辨别所有能够自我测试Tsirelson实现的Bell表达式。

（张皓玥）

Extremal Tsirelson Inequalities

V. Barizien and J.-D. Bancal

Phys. Rev. Lett. 133, 010201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.010201

在容错量子计算领域中，稳定子操作扮演着关键角色，其特点是在经典模拟中表现出卓越的效率。这种效率使它们与量子计算理论中的非稳定子操作形成对比。在这篇快报中，作者探讨了在区分量子态时经典可模拟测量的局限性。作者证明，任何纯魔术态及其奇素数维度的正交补集不能通过稳定子操作被明确区分，无论提供多少个态的副本。作者还揭示了魔术态和量子态辨别中纠缠的量子资源理论之间的内在相似性和区别。这些结果强调了经典可模拟测量的固有局限性，并有助于深入理解量子-经典边界。

（张皓玥）

Limitations of Classically Simulable Measurements for Quantum State Discrimination

Chengkai Zhu, Zhiping Liu, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 010202 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.010202

[Featured in Physics] [编辑推荐] 在Mpemba效应中，热液体比冷液体冻结得更快。这种效应的量子版本，挑战了作者对量子热力学的理解。

远离平衡态系统的高度复杂性可能导致在平衡态下发展的物理直觉完全崩溃。一个著名的例子是Mpemba效应，该效应表明，当非平衡态离平衡态更远时，可能会更快地弛豫，换句话说，热水比温水更快地冻结。尽管这一现象有着悠久的历史，但支撑这一现象的确切标准和机制仍然未知。在这里，作者研究了在具有U(1)守恒电荷的封闭多体系统中发生的量子Mpemba效应：在某些情况下，更不对称的初始配置比更对称的配置更快地弛豫并恢复对称性。与经典案例相比，作者利用最近引入的纠缠不对称性，在任意可积量子系统中建立了这种情况发生的标准。作者描述了这些系统中的量子Mpemba效应，并将初始态的属性，特别是其电荷涨落，与其发生的标准联系起来。这些标准通过几个示例中的精确分析和数值技术进行阐述，包括一个自由费米子模型，规则54元胞自动机和Lieb-Liniger模型。

（张皓玥）

Microscopic Origin of the Quantum Mpemba Effect in Integrable Systems

C. Rylands, K. Klobas, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 010401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.010401

[Featured in Physics] [编辑推荐] 在Mpemba效应中，热液体比冷液体冻结得更快。这种效应的量子版本，挑战了作者对量子热力学的理解。

在多体量子系统的非平衡物理学中，孕育了各种非常规现象。在这篇快报中，作者实验性地研究了这些现象中最令人困惑的一个——量子Mpemba效应，其中一个倾斜的铁磁体在远离对称态时比靠近对称态时恢复对称性更快。作者提供了在捕获离子量子模拟器中观察到这一效应的首个实验证据。通过随机测量探测并利用经典阴影技术后处理，监控了对称性的破坏与恢复，这是通过纠缠不对称性来监控的。作者的发现通过测量实验态与理论上的稳定热对称态之间的Frobenius距离进一步得到证实，提供了子系统热化的直接证据。

（张皓玥）

Observing the Quantum Mpemba Effect in Quantum Simulations

L. Kh. Joshi, J. Franke, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 010402 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.010402

[Featured in Physics] [编辑推荐] 在Mpemba效应中，热液体比冷液体冻结得更快。这种效应的量子版本，挑战了作者对量子热力学的理解。

Mpemba效应是一种违反直觉的现象，在其他相同的条件下，热系统比冷系统更快地达到低温。在这里，作者在最简单的量子系统量子比特上提出了Mpemba效应的量子模拟。具体来说，作者展示了它表现出的反效应，即冷量子比特比热量子比特更快地达到热温度。此外，在作者的系统中，冷量子比特可以以指数级的速度升温，表现出强烈的效果。这只发生在足够相干的系统中，使这种效应成为量子力学效应，即由于干涉效应。作者在单个⁸⁸Sr⁺离子阱量子比特上实验证明了作者的发现。这种反常弛豫效应在简单量子系统中的存在揭示了其根本性，并可能在设计和操作量子信息处理设备中发挥作用。

（刘承葛）

Inverse Mpemba Effect Demonstrated on a Single Trapped Ion Qubit

S. A. Shapira, Y. Shapira, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 010403 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.010403

非稳定性，也被称为“魔术”，是在量子计算中实现潜在优势的关键资源。目前，人们对它与多体物理现象的联系知之甚少，主要是因为缺乏大规模计算它的实用方法。作者提出了一种在矩阵直积态框架内评估不稳定性的新方法，该方法基于在泡利基中直接表达矩阵直积态。作者的框架提供了一个强大的工具，用于有效地计算各种不稳定性度量，包括稳定Rényi熵、稳定零度和Bell魔术，并能够学习矩阵直积态的稳定群。作者展示了作者的方法在伊辛和XXZ自旋链基态中的有效性和多功能性，以及最近在里德堡原子阵列中实现的电路动力学，在那里作者为未来在两倍于已实现尺寸的逻辑量子比特上的实验提供了具体的基准。

（刘承葛）

Nonstabilizerness via Matrix Product States in the Pauli Basis

P. S. Tarabunga, E. Tirrito, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 010601 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.010601

作者提出了一种新颖的经典算法，旨在学习给定矩阵乘积态的稳定群，即状态为一个±1特征向量的泡利弦群。该算法基于泡利（或贝尔）基中巧妙且理论上有根据的偏置采样。它的输出是一组独立的稳定生成器，其总数与稳定零度直接相关，特别是一个公认的不稳定单调。作者在通过Clifford酉动力学随机扰频的T掺杂态上对作者的方法进行了基准测试，证明了对键维数为χ~10³的高度纠缠矩阵乘积态的非常准确的估计。作者的方法，由于具有非常有利的标度O(χ³)，代表了第一种获得矩阵乘积态真正神奇单调的有效方法，使作者能够系统地研究不平衡的量子多体物理。

（刘承葛）

Unveiling the Stabilizer Group of a Matrix Product State

G. Lami and M. Collura

Phys. Rev. Lett. 133, 010602 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.010602

数字量子模拟依赖于Trotter分解，即将时间演化分解为基本量子门。在当前具有显著栅极缺陷的量子处理器上，在更精细的时间步长的精度提高和更大的电路深度导致的错误率增加之间存在着关键的权衡。作者提出了一种自适应Trotter分解算法来处理与时间相关的哈密顿量，其中作者提出了分段“守恒”量的概念来估计两个（附近）时间点之间的时间演化中的误差；这使作者能够约束在整个模拟周期内累积的误差。在与时间无关的哈密顿量的情况下，它们简化为标准守恒律，为此，作者首先开发了一种自适应Trotter分解方案。作者针对时间相关的量子自旋链验证了该算法，证明它在控制误差的情况下，在固定步长的情况下可以优于传统的Trotter算法。

（刘承葛）

Adaptive Trotterization for Time-Dependent Hamiltonian Quantum Dynamics Using Piecewise Conservation Laws

H. Z. Zhao, M. Bukov, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 010603 (2024)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.010603

作者发展了用以处理在任意各向同性时空奇点处能动张量与几何相互作用的数学框架。此方案可以处理初始奇性处的爱因斯坦方程并且可以描述容许的广义相对论性能动张量。其领头行为由一张共性嵌入的初始超曲面探测。作者还证明，各向同性大爆炸决定了初始超曲面上及其附近的正则非奇性度规以及宇宙学时间。这为初始奇点赋予了体积与能量。

Stress and Geometry for Isotropic Singularities

A. Rod Gover, Jarosław Kopiński, and Andrew Waldron

Phys. Rev. Lett. 133, 011401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.011401

脉冲星计时阵列用较费时的马尔科夫链蒙特卡罗（MCMC）算法进行贝叶斯后验估计。给出约10到100个脉冲星的数据集，且每个都有O（10³）的时序残差，产生随机引力波背景（SGWB）后验分布需要数天到一周。此计算瓶颈是因为MCMC所需进行的似然计算在考虑到此研究空间的维数时非常耗时。幸运的是，生成模拟数据很快，所以现代基于模拟的估计技术可被用于处理此问题。本文中，作者阐述了将模拟数据训练的条件标准化流用于快速准确进行SGWB后验计算的方法，将时间从一周减少到数秒。

Fast Parameter Inference on Pulsar Timing Arrays with Normalizing Flows

David Shih, Marat Freytsis and et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 011402 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.011402

本项目首次搜索了单产生的窄共振态衰变为三个分离良好的强子喷注。研究使用了在LHC收集的对应于13TeV质心能的138fb^-1积分亮度的质子-质子碰撞数据。在1.75到9.00TeV之间没有观察到与背景预测的显著偏差。研究结果提供了对右手玻色子𝑍_𝑅衰变为三个胶子和对通过矢量玻色子衰变为三个夸克的激发夸克的质量限制，以及对一个radion衰变为三个胶子的Kaluza-Klein胶子的更新限制。

Search for Narrow Trijet Resonances in Proton-Proton Collisions at √𝑠=13  TeV

A. Hayrapetyan et al. (CMS Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 011801 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.011801

为了寻找同位旋 𝑇=3/2 三体系统中的低能共振结构，K. Miki 等人在中等能量下进行了 ³H(𝑡, ³He)3𝑛 和 ³He(³He, 𝑡)3𝑝 实验。对于 3𝑛 实验，他们新研制了一种厚的 Ti-³H 靶，它是迄今为止该类型靶中氚厚度最大的。3𝑛 实验首次覆盖了低至 15  MeV/𝑐 的动量转移区域，为产生弱关联系统提供了理想的条件。然而，在获得的激发能谱中，他们没有观察到任何明显的峰结构。这与四中子谱形成鲜明对比。除了库仑排斥引起的能量位移外，他们发现 3𝑛 和 3𝑝 谱的分布是相似的。与理论计算的对比表明，3𝑛 和 3𝑝 系统中存在三体关联，尽管不足以产生共振峰。

（褚胤涵）

Precise Spectroscopy of the 3𝑛 and 3𝑝 Systems via the ³H(𝑡, ³He)3𝑛 and ³He(³He, 𝑡)3𝑝 Reactions at Intermediate Energies

K. Miki et al. (RIBF-SHARAQ11 Collaboration and RCNP-E502 Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 133, 012501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.012501

[Featured in Physics] [Editors’ Suggestion] Researchers have made the most precise measurement to date of the excited nuclear state of thorium-229, a candidate isotope for an ultraprecise nuclear clock.

掺杂了²²⁹Th的LiSrAlF₆晶体用于基于激光的核同质异能跃迁搜索。作者观察到了核跃迁能量附近的两个光谱特征。第一个是宽激发特征，产生红移的荧光，以几秒的时间尺度衰减。第二个是在148.38219(4)_stat(20)_sys nm[2020407.3(5)_stat(30)_sys GHz]处的窄激光线宽限制的光谱特征，其衰减寿命为568(13)_stat(20)_sys秒。这个特征与²²⁹Th核同质异能态的激发相关，其能量在²²⁹Th:LiSrAlF₆中被发现为8.355733(2)_stat(10)_sys eV。

Laser Excitation of the ²²⁹Th Nuclear Isomeric Transition in a Solid-State Host

R. Elwell, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 013201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.013201

基于中性原子的量子模拟的最新进展在很大程度上得益于高分辨率、单原子敏感的成像技术。为了实现光学晶格或光镊中原子的局部探测，人们已经开发了各种各样的方法。对于碱土原子和类碱土原子，窄光学跃迁的存在开启了执行新型西西弗斯冷却的可能性，其冷却机制来源于能够在空间上解决陷阱势场的差分光学能级偏移。到目前为止，高保真成像能否在“排斥西西弗斯”结构中实现一直是一个悬而未决的问题，其中陷阱的基态深度超过了冷却所涉及的激发态的深度。在这里，作者展示了使用排斥西西弗斯冷却的锶原子的高保真度(99.971(1)%)和高存活率(99.80(5)%)成像。作者使用光学晶格作为具有高达399个镊子的大规模镊子阵列中原子的固定势能，并展示了重复的高保真度晶格-镊子-晶格传输。作者进一步演示了直接从MOT加载大约10000个原子的晶格和在大于10000个晶格位点上的可扩展成像，综合存活概率和分类保真度优于99.2%。因此，作者的晶格可以作为一个本地可寻址和可分类的储存器，用于未来连续填充光学镊子阵列。

High-Fidelity Detection of Large-Scale Atom Arrays in an Optical Lattice

Renhao Tao, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 013401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.013401

灵敏度高于prad/s的绝对角速度测量将有利于基础科学研究。在这方面，就带宽、长期运行和灵敏度而言，基于地球的大框架环形激光陀螺仪是最先进的仪器。在这里，作者证明了GINGERINO主动式环形激光器的上限噪声在约2×10⁵ s的积分时间内接近2×10^-15 rad/s，这是通过差分测量方案中评估的Allan偏差估计的。这一结果比迄今为止对理想环形激光器散粒噪声的理论预测好10倍以上，其中两个光束在腔内反向传播被视为两个独立的传播模式。这一特征与真实环形激光系统动力学的特性有关，该特性导致两种反向传播模式之间的相位串扰。在这种情况下，独立波束模型是不适用的，并且测量的噪声极限低于预期值。

Noise Level of a Ring Laser Gyroscope in the Femto-Rad/s Range

Angela D. V. Di Virgilio, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 013601 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.013601

作者突出性地使用了一种非典型但自然的变量选择，用于高效推导非各向同性系统中的能量密度动力学方程，包括在垂直平面上的内部重力波、惯性波和Rossby波。第二个二次不变量的存在简化了动力学方程，并导致共振相互作用的额外守恒定律。我们解析确定了径向湍流能量谱的缩放。我们的发现表明，在实际相关场景中，内部重力波存在从小尺度到大尺度的逆向能量级联。

（邱仲普）

Sign-Indefinite Invariants Shape Turbulent Cascades

M. Shavit, O. Bühler, and J. Shatah

Phys. Rev. Lett. 133, 014001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.014001

最近有研究人员首次在Gd₂PdSi₃中观察到了在中心对称晶体产生的磁斯格明子。基于此，Dong等人通过角度分辨光发射光谱观测了该化合物的电子结构，并揭示了其电子结构与磁性的直接关系。费米面和能带色散与密度泛函理论计算结果（仔细考虑了晶体超结构）十分吻合。更重要的是，他们发现三维费米面具有扩展嵌套，这与最近的散射测量检测到的磁序矢量非常符合。这三种相互印证的结果说明在Gd₂PdSi₃中，涉及巡游电子的RKKY相互作用是其中斯格明子形成的机制。

（冯盼君）

Fermi Surface Nesting Driving the RKKY Interaction in the Centrosymmetric Skyrmion Magnet Gd₂PdSi₃

Yuyang Dong et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 016401 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.016401

[编辑推荐]量子海森堡自旋玻璃在整个有序阶段和低至零温时的精确数值求解，消除了一个研究基本相关系统的技术限制。

Kavokine等人将Parisi全复制对称破缺方程的高精度数值解法和连续时间量子蒙特卡洛算法相结合，提出了量子和经典海森堡自旋玻璃的平均场解法，描述了自旋玻璃序及其低至零温时的低能激发。与伊辛自旋玻璃相比，海森堡自旋玻璃的能谱更为粗糙，其动力学性质的温度演化非常缓慢。他们将分析拓展到了掺杂的金属海森堡自旋玻璃，它显示出出乎意料的缓慢自旋动力学，反映了接近熔化量子临界点及其相关的Sachdev-Ye-Kitaev Planckian动力学。

    (冯盼君）

Exact Numerical Solution of the Fully Connected Classical and Quantum Heisenberg Spin Glass

Nikita Kavokine et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 016501 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.016501

自旋自由度对理解任何凝聚态系统都至关重要，了解自旋混合机制不仅对成功控制和操纵自旋量子比特十分重要，而且还能揭示所研究器件和材料的基本特性。对于静电定义的双层石墨烯量子点，最近有研究报道其在强的磁场依赖下，自旋弛豫时间T₁可达到50ms，Tong等人研究了这个系统在电荷配置（1,2）↔（0,3） 时的自旋阻塞现象。他们研究了自旋阻塞泄漏电流与点间隧道耦合以及外加磁场的大小和方向的依赖性。在面外磁场中，观察到的零场电流峰值可能来自与引线的有限温共隧作用；但要解释观察到的持续尖锐侧峰，还需要考虑额外的自旋和谷混合机制。在面内磁场中，他们观察到零场电流骤降，这是由于自旋塞曼效应和Kane-Mele自旋轨道相互作用之间的竞争造成的。然而，该电流骤降的线形细节表明，还有其他潜在机制在起作用。 

（冯盼君）

Three-Carrier Spin Blockade and Coupling in Bilayer Graphene Double Quantum Dots

Chuyao Tong et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 017001 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.017001

[Featured in Physics] [编辑推荐]重力改变相变的动力学。一项实验揭示了重力在奥斯特瓦尔德熟化中的作用，奥斯特瓦尔德熟化是一种影响许多效应的自发热力学过程，例如冰淇淋的再结晶。

畴衰减是相序动力学中所谓的蒸发—冷凝奥斯特瓦尔德熟化机制的核心，其中大域的增长是以牺牲预计会“蒸发”的小域为代价的。Saiseau等人在近临界相分离二元液体混合物中，通过光机械方法从共存的一个相中选取一个球形畴，并将其带入另一个相，在单个球形畴的水平上实验研究了这种衰变动力学。作者观察到，衰变动力学通常与守恒序参量的理论预期表面张力衰变定律不相容。使用平均场描述，作者通过接近临界点的重力引起的溶质浓度梯度定量解释了这种明显的不一致。最后，作者确定了浮力与毛细作用相比可以忽略不计的条件，并进行了专门的实验来检索预测的表面张力诱导的衰变指数。因此，在有重力和无重力的情况下，守恒序参量系统的表面张力驱动的衰变动力学在单个畴的水平上建立起来。

Decay Dynamics of a Single Spherical Domain in Near-Critical Phase-Separated Conditions

Raphael Saiseau, et al.

Phys. Rev. Lett. 133, 018201 (2024)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.018201

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