近期，我校粤港量子物质联合实验室在量子计算和高能核物理领域取得了重要进展，相关成果在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》新年的第一期上背靠背发表（2021.1.8），其中一篇被遴选为该期封面文章。

成果一：朱诗亮教授课题组与南京大学合作，利用超导量子比特系统首次实现和观测到四维参量空间中的张量磁单极。该成果以 “Experimental Observation of Tensor Monopoles with a Superconducting Qudit” 为题发表[Phys. Rev. Lett. 126, 017702 (2021)]，在获得编辑推荐（Editor’s Suggestion）的同时，被选为本期的封面论文。论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.017702。

成果二：王恩科教授课题组与美国印第安纳大学合作，指出高能重离子碰撞是区分奇特强子态的强子分子态和紧致四夸克态图像的理想场所。该成果以 “Deciphering the nature of X(3872) in heavy ion collisions” 为题发表[Phys. Rev. Lett. 126, 012301(2021)]。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.012301。

成果一研究的是张量磁单极子。磁铁有南极和北极两个磁极，不存在只有一个磁极的磁铁，这已经成为中学生的常识。但是，1931年，大物理学家保罗·狄拉克用优美的数学公式和深刻的物理洞察力，从理论上预言自然界中存在一种只带单一磁极的粒子，称为狄拉克磁单极,它和杨（振宁）磁单极同属于矢量磁单极，这类磁单极在凝聚态和人工量子体系中已有许多实验实现。但另一类被称为张量磁单极的还从未被实验报道过。要在人工量子系统中寻找张量磁单极，必须解决两个关键问题：一是如何构造高维参量空间中可控的系统哈密顿量；二是如何测量参量空间中量子态的度规张量，从而得到张量磁单极的拓扑荷。围绕这两个问题，研究团队近年来通过理论与实验紧密合作，在超导量子比特系统中实现了参量可控三能级哈密顿量及其拓扑金属模拟[Phys. Rev. Lett. 120, 130503(2018), 编辑推荐文章]，以及直接测量了量子度规张量[Phys. Rev. Lett. 122, 010501 (2019)]。 进一步，他们利用超导四能级人工原子在四维参量空间中构造和实现了张量磁单极的等效哈密顿量，从而在超导人工原子中实现了参数空间的张量单极子和Dixmier-Douady不变量的测量。该成果有助于磁单极物理、张量规范场和拓扑物理在人工量子系统中的进一步研究。几乎同时，麻省理工学院-布鲁塞尔自由大学合作组也在金刚石色心中观测到了四维参量空间中的张量磁单极（arXiv:2008.00596）。

成果二研究的是奇特强子态。强相互作用是宇宙中四种基本相互作用之一。量子色动力学（QCD）是强相互作用的基本理论。夸克和胶子是QCD的基本自由度并通过非微扰的强相互作用形成强子。传统上夸克模型认为强子有两种基本结构：由三个夸克组成的重子和正反夸克组成的介子。近年来，国际各大高能实验上陆续发现一系列超出这两种结构的奇特强子态。他们的性质是理解QCD非微扰行为的关键，是理解物质来源和宇宙起源的突破口。X(3872)是日本的Belle合作组于2003发现的第一个奇特强子态。虽然，各国高能物理学家利用这十几年的时间，从不同角度上去研究它的性质，但是，它的性质仍然是一个悬而未决的问题：松散的强子分子态或者紧致的四夸克态？研究团队指出重离子碰撞是区分松散的强子分子态和紧致的四夸克态的理想场所，并以X(3872)为例，通过多相输运模型的具体计算证明此方法的有效性。此方法的提出，主要因为在重离子碰撞中：（1）具有充足亮度和（反）粲夸克的热密火球可产生足够的奇特强子态；（2）火球的体积起着至关重要的作用，有利于区分大体积的强子分子态和小体积的四夸克态。具体计算表明X(3872) 产额在两种图像下有两个数量级的差异，强子分子态和紧致四夸克态对中心度的依赖性也明显不同。这些最直接的物理观测量为区分这两种不同的结构提供了独特的机会。此方法具有普适性，对研究其他奇特强子态的性质起到至关重要的作用。

上述系列工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技厅等项目的资助。

图1   Phys.Rev.Lett.期刊2021年第一期封面和编辑推荐截图

图2 三维空间中的狄拉克磁单极和四维空间的张量磁单极示意图   

图3 实验测量和理论模拟的张量磁单极拓扑荷及其拓扑相变

图4 相对论重离子碰撞中X（3872）的两种不同生成机制示意：松散的强子分子态（左）；紧致的四夸克态（右）

图5 成果二文章截图