黑洞阴影 | 前沿快讯No.21

超大质量黑洞双星被认为位于许多星系的核心，来源于星系合并。他们的外部是一个大的吸积盘，这个吸积盘可以将物质传输给两个分别绕黑洞运行的小吸积盘。如果相对于轨道平面的观察角度接近边缘，小的吸积盘可以在另一个黑洞的作用下观测到自透镜耀斑，其效应在接近合并的超紧凑双星的情况下尤其明显。自透镜耀斑的观测证据十分稀少，在光学开普勒数据中发现了第一个候选者，KIC-11606854 绰号为Spikey。最近在大型光学时域观测中发现了活动星系核光线中的准周期调制，表明了超大质量黑洞双星存在。

本文作者哥伦比亚大学Jordy Davelaar等发现以接近边缘的观测角度对黑洞双星的轨道进行观测时，在光曲线中找到一个明显的特征，对应于背景黑洞周围的相对论阴影。作者通过光线追踪在一个黑洞双星模型中来研究这一特征，并预言当前1%的黑洞双星系统候选项可以显示出这一特征。这种新提出的黑洞断层扫描方法使得提取出高分辨率极长基线干涉测量无法进行空间分辨的黑洞阴影成为可能。

相关研究成果以Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography为题，发表在《物理评论快报》  Physics Review Letters 128, 191101 (2022)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.191101

非弹性碰撞过程长期以来是科学和应用研究的焦点。当两个原子靠近时，它们可以改变它们的物理状态，并将其内能转化为动能的增加或减少。传统上，这些过程可以通过测量包含许多原子的宏观样品的平均热力学性质的变化来研究，包括温度、能量和压力等。在微观尺度上，这些过程的动力学和终态受到量子力学定律的影响。短程化学力通常在组成分子复合物的原子的电子态中产生多体相关性。由于中度的分子配合物通常由数十到数百个电子组成，同时精确从头计算所需的计算能力随电子数呈指数增长，准确计算单一碰撞结果仍然是一个巨大的计算挑战。因此，精确的理论建模往往需要实验上对几个自由参数进行校准。超低温原子气体的出现使研究中性原子之间在超低温状态下的碰撞成为可能。在这些系统中，共振散射现象，如费什巴赫和形状共振，使原子之间产生相干和有效的相互作用，能够实现分子势的精确实验校准。对量子态中单对原子之间相互作用的研究是量子化学的一个基石，但能够观察和控制单个碰撞结果的演示技术的数量仍然很少。

本文作者魏茨曼科学研究所复杂系统物理系Or Katz等展示了一种用量子逻辑来研究超冷中性原子和冷离子之间的相互作用的技术。成功测量了没有实验控制的超冷铷原子与单电离锶同位素碰撞中超精细能量的非弹性释放，通过单次读取逻辑离子量子位的运动状态，检测碰撞结果并测量化学离子的非弹性速率。其工作扩展了用现有的实验工具来研究弹性、非弹性和反应性化学过程的工具箱，尤其针对无法进行直接激光冷却和状态检测的原子和分子离子。

相关研究成果以Quantum logic detection of collisions between single atom–ion pairs为题，发表在《自然物理》 Nature Physics 18, 533-537 (2022)上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01517-y.pdf

近年来，由于可以提供研究混沌量子多体系统的动力学的最小结构的玩具模型，随机量子电路在理论和实验上都引起了广泛的关注。由于概率分布的复杂性，在采样问题中可以实现量子优势，但无法在经典计算机上进行大规模的深度模拟。著名的谷歌的超导处理器成功进行了实验演示，没有任何错误修正，包含53个可用量子比特和20个电路深度。一个相关的理论工作对随机量子电路的量子保真度进行了研究，用张量网络状态模拟了谷歌的随机量子电路，双量子比特的保真度只能达到92%。另一方面，对量子电路的动态过程中最重要的特征，比如量子纠缠，却很少有研究。在没有物理噪声的情况下，冯·诺伊曼纠缠熵、罗恩伊熵和相应的纠缠谱被很好地用来表征量子电路中的纠缠特性。已证实通常的非幺正投影测量可能会破坏随机量子电路中的量子纠缠，并且当测量概率降低时，可以产生由面积律相到体积律相的纠缠相变。但对于一个带有物理噪声的随机量子电路，噪声可以使系统热化为混合状态，将经典相关性与量子纠缠分离是一个巨大的挑战。

本文作者清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室张琦等利用密度矩阵算子和张量收缩方法，研究了一个具有有噪声的哈尔随机幺正门的一维量子电路。结果表明，随机量子电路的纠缠演化具有对数纠缠负性，通过进行精确的数值计算，发现当物理误差率降低到一个临界值以下时，对数纠缠负性由面积定律变为体积定律，引起纠缠相变。相关长度的临界指数可以通过有限尺寸的标度分析来确定，揭示了有噪声的中尺度量子器件的普遍动态特性。

相关研究成果以Noise-Induced Entanglement Transition in One-Dimensional Random Quantum Circuits为题，作为亮点文章Editors’ suggestion发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 050302 (2022)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/5/050302

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