美国物理学会发布“2018年物理学十大进展”,潘建伟团队量子通信项目入选

作者 DeepTech深科技 9月前
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12 月17 日,美国物理学会(The American Physical Society,APS)旗下 Physics  公布了今年的国际物理学领域的十项重大进展(“Highlights of the Year”),回顾了 2018 年颇有代表性的科研故事,涵盖从开创性研究到诗人为量子物理写诗。其中,中国潘建伟团队的首次洲际量子通信项目同样入围。

 

(来源:APS/Alan Stonebraker)

 

石墨烯:超导家族的新成员


2018 年凝聚态物理领域最引人瞩目的一个发现就是双层石墨烯的超导性。


美国和日本的研究人员报告,他们发现了两层相对扭曲的石墨烯具有超导性。他们观察到的超导性类似于高温超导体的超导性,由此扭曲的石墨烯可作为研究超导性的代表性体系。研究团队在美国物理学会年会发布该成果时,带来极大震动。该成果也引起了一系列的理论研究,研究人员试图解释这一非常规现象。其中,有一个猜想是扭曲石墨烯的超导性可能也具量子计算机所需要的拓扑性。

 

探测到希格斯玻色子与最重夸克的相互作用

 

2012 年,欧洲核子研究组织(CERN)首次探测到希格斯玻色子,但是简单探测并没有展示很多信息。


之后,研究重点就聚焦在探测希格斯玻色子具体如何表现。CERN 开展了两个相关实验——CMS 和 ATLAS,探测到最重夸克与希格斯玻色子之间的相互作用,达到统计显著性 5σ水平(5σ意味着信号由本底噪声导致的概率只有千万分之三)。通过测试顶夸克和反顶夸克产生希格斯玻色子的频率,CMS 和 ATLAS 实验确定了顶夸克与希格斯玻色子之间的相互作用强度。


此外,他们还报道了首次观测到希格斯玻色子衰变为底夸克。该衰变是希格斯玻色子最具可能性的命运,但这在经典实验中很难观察到。截至目前,所有的测试都与粒子物理的标准模型一致,不过存在不确定性。而随着实验不确定性的减少,还会有更多的惊喜出现。

 

暗物质领域的“动荡”

 

暗物质领域在 2018 年有很多“动荡”。WIMP(弱相互作用有质量粒子)是被最广泛讨论的暗物质候选者,但是近来其他候选者逐渐引起注意。其中,LIGO-Virgo 联合探测到双黑洞合并产生引力波之后,原始黑洞得到了广泛关注。


但是,对超新星统计分析,以及它们都没有被隐藏的黑洞“引力透镜”放大或变亮,表明黑洞可能不是暗物质主要组成。在此之后,原始黑洞的关注热度下降。对于这些现象,理论学家提出猜想:与暗物质相互作用后,气体被冷却。一种可能性是暗物质粒子携带着非常小的电荷。

 

首次洲际量子通信:量子加密

 

中国潘建伟团队通过“墨子号”中继,利用卫星链路,首次实现与奥地利团队的量子加密的的洲际视频会议。数据安全性通过量子密钥分发(QKD)得以保障。


通过千赫兹的密钥交换频率,研究团队之间的洲际会议持续了 75 分钟,总数据传输量达 2GB。长距离的 QKD 曾经在陆地的光纤网络中有过尝试,但是纤维中的光失效限制了通讯距离只能在几百公里之内。而利用天地链路,实现了相距 7600 公里的位点之间的通信。这些结果对于那些设想“量子互联网”的人来说无疑是好消息。

 

(来源:j.W.Pan/USTC)

 

中微子难题再次复杂化

 

费米实验室的研究人员开展 MnibooNE 实验,发现了与已知的三个中微子味(电子味、μ子味、τ子味)不相符的信号。


MnibooNE 实验发现μ中微子可以在非常短短的距离内转变成电子中微子,而这在传统的中微子振荡中是不可能发生的。这一结果也进一步验证了液体闪烁器中微子探测器(LSND)实验的早期结果。


MiniBooNE 和 LSND 实验结果都可以利用第四种中微子——“惰性中微子”相关理论进行解释。因为与加速器和核反应器中产生的中微子相关研究结果均不一致,所以惰性微中子假设曾几乎被摒弃。不过,MiniBooNE 的新结果重新点燃了该假设相关争论。惰性中微子的存在还有可能解释暗物质以及物质-反物质不对称性。

 

600 亿 RPM:有史以来最快转速

 

你能想象 600 亿转/分钟(RPM)的转速吗?两个科研团队均发表相关成果,实现 600 亿 RPM 的超高转速,创造了世界纪录。


这两个团队分别是来自普渡大学、北京大学和清华大学的研究人员构成的合作研究团队,以及苏黎世联邦理工学院的研究团队。两个团队在设计方法上是相似的,利用圆偏振光(可产生旋转电场)旋转纳米物体。这样旋转频率下的离心力足以使硅旋转体分裂,因此该技术可用于纳米应力试验设备,还可以用于研究难于测量的旋转摩擦的量子形式——Casimir 转矩(由物体与量子真空中虚拟粒子之间相互作用造成的摩擦效应)。

 

国际单位制(SI)迎来重要变革

 

有史以来,测量基准都是基于实物,比如大量水、大块金属等。但是,这些实物可能随着时间或位置发生变化,因此 2018 年 11 月的国际计量大会经表决,决定采用更具通用性的国际单位制。国际单位制基本单位中的 4 个——千克、安培、开尔文、摩尔将分别改由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数、阿佛加德罗常数定义。


不过,不必担忧日常测量仪器涉及的范围,比如长度和温度单位。最大的变动是质量单位——千克,将不再是质量标准。

 

记录晶体生长过程的“影片”

 

几十年前,电子显微镜就可以提供很好的原子和分子图像。原子层上长纳米线的视频(如下所示的视频),曾在社交媒体上风靡一时,可能是人们觉得好像在看世界上最迷你的 3D 打印过程一样。为了弄清楚晶体生长过程中原子如何自组装,法国研究人员利用透射电子显微镜进行了实时观测,采用的是金纳米过饱和液滴。


视频显示,液滴底部的原子首先“掉落”在液固界面的某个角落,然后以此为起点,在整个界面层铺展开,随着更多原子从液滴底部掉落,就形成了晶体层。

 

针织物相关的数学公式

 

纱线没有伸展性,而针织毛衣却有很好的伸展性,这一矛盾引发了物理学家的好奇心。巴黎高等师范学院的物理学家对针织物的伸展过程进行了研究。


他们对尼龙织物进行不同程度的伸展,找到了一些适用的简单公式。这些新公式适用于任何编织图案,并对伸展过程实现量化解释。研究团队希望他们的研究成果能够帮助工程师开发智能织物,比如有热响应的特殊形状的织物。

 

为量子物理写诗

 

用合适的语言准确描述量子对象的离奇及其背离逻辑的规律,是一个难题和挑战。不过,物理学家和艺术家都在不断努力尝试。一位名叫 Amy Catanzano 的诗人,想到诗歌或许可以成为一种描述量子物理复杂概念的有效语言。于是,她把自己的想法诉诸实践,写了一首关于量子计算机的诗,试图解释量子计算机背后的理论。


尽管物理学家是否会用诗作为量子物理的语言仍未可知,但是这首诗的出现为那些非物理专业的人提供了一种认识复杂量子概念的新方式。

 

-End-


编辑:maggie 责编:黄珊

参考: 

https://physics.aps.org/articles/v11/129?fbclid=IwAR1dEp4Uhb8OvnIkwqcLxrYQjVqKgcUNR-rCiWISTwR5c3r4qvCf_RbOH0A&utm_source=wechat_session&utm_medium=social&utm_oi=26985929637888&from=timeline&isappinstalled=0

 

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