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期刊信息/Journal information
中国科学（物理学 力学 天文学）
中国科学（物理学 力学 天文学）

王鼎盛 张杰

月刊

1674-7275

Physics@scichina.org

010-64015835

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（物理学 力学 天文学）/Journal SCIENTIA SINICA Physica,Mechanica & AstronomicaCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    石墨烯莫尔异质结中局域-巡游电子的竞争和耦合

    陈墨雨谢永勤程斌梁世军...
    1-12页
    查看更多>>摘要：由二维量子材料构筑的范德华异质结展现出丰富的界面衍生量子态，并具有出色的物态可调性，不但为探索新奇量子物态和物态演化规律提供强大的可调平台，也为开发新原理电子器件功能提供丰富的材料库。本文将结合我们过去几年在石墨烯莫尔异质结体系中的电子输运工作，详细讨论其中的巡游电子与局域电子之间的竞争与耦合作用对新物态的形成与演化的影响，以及对新原理器件设计所提供的新思路。首先通过对巡游-局域电子耦合强度的原位调控，我们实现了对电子晶体的量子融化过程的高精度观测，首次观测到量子两步临界性和量子赝临界性等新奇量子临界行为，展示了石墨烯莫尔异质结在可调量子临界行为固态量子模拟上的巨大潜力。其次，分层的巡游电子和局域电子之间的耦合作用可以诱导出非常规电子型铁电，其铁电的极化强度具有准连续性，有望满足高精度神经形态计算中对可精准调控多态的需求。特别地，电子型铁电可以使得铁电与其他量子物态例如陈绝缘态共存，这为设计开发噪声免疫神经形态计算等全新物理计算硬件提供了独特的平台。

    二维材料电子输运物态调控物理计算

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    基于中国空间站的星际与行星际尘埃的捕获与溯源

    王舒李爱根高健侯锡云...
    13-33页
    查看更多>>摘要：物质是宇宙的基础，研究宇宙必须对其物质组成进行研究。宇宙中恒星际和行星际尘埃物质携带着恒星和太阳系形成与演化的丰富信息。目前对宇宙尘埃的研究主要基于间接手段，无法精确判定其化学组成、结构形态、尺寸分布以及来源等关键信息。60年来，人们一直尝试利用探空火箭、航天器、空间站、卫星、深空探测器等进行宇宙尘埃物质的直接研究，目前尘埃的"原位"探测数据或采样返回数据主要用于样本数量的统计分布特性研究以及物质成分分析，对样本的溯源工作并不多见。本文总结了恒星际与行星际尘埃颗粒的间接性质研究结果，已有的原位探测项目及进展，并拟利用我国空间站平台开展宇宙尘埃颗粒的捕获与溯源，准确判断返回的尘埃颗粒是来自于恒星际还是行星际，并对溯源的尘埃颗粒在实验室内进行详细理化分析和研究。

    星际尘埃行星际尘埃中国空间站

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    低T深度条件下ZUC-128的高效量子线路实现

    邹剑向思明邹长忠吴文玲...
    34-51页
    查看更多>>摘要：祖冲之密码算法(ZUC)是我国推出的一种流密码算法，本文主要研究如何以较低T深度实现ZUC-128算法的完整量子线路。S盒是ZUC-128算法非线性组件的重要组成部分，本文首先通过穷搜剪枝策略和塔域分解技术分别获得了S0和S1的经典线路实现，然后分两步设计S0和S1量子线路:第一步是减小经典线路的与门深度，第二步是实现量子线路的T深度等于经典线路的与门深度。本文新型的S0和S1的量子线路的T深度都为7。同时本文还研究了加法器和L函数的量子线路实现，以降低整体线路的T深度。最后本文探索出了ZUC-128算法整个流程的量子线路构造，当工作步骤中的L=32轮时，该量子线路需要46008个量子比特，682340个T门，2008535个CNOT门和42680个NOT门，T深度为11341，其量子比特数与T深度的乘积为5。22× 108。

    ZUC-128塔域分解量子线路

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    基于最大方差展开的量子非线性降维

    张新郭躬德吁超华林崧...
    52-62页
    查看更多>>摘要：最大方差展开算法是在流形局部等距的基础上提出的一种非线性降维算法。然而，在处理大规模数据集时它需要大量的计算成本。为此，本文提出了一种高效的量子最大方差展开算法。首先，提出了一个量子矩阵平方根算法，它可以指数加速地实现矩阵开平方，从而有效地获得拉普拉斯矩阵的密度算子。然后，在此基础上给出了完整的量子降维算法，利用哈密顿模拟和相位估计将原始高维数据映射到低维数据空间。最后，时间复杂度分析表明，本文所提量子降维算法相较于经典算法在维度上实现了指数加速，在样本数量上实现了多项式加速。

    量子机器学习量子降维算法最大方差展开量子哈密顿模拟拉普拉斯矩阵

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    基于机器学习探测qubit-qutrit系统中量子态的导引性

    张雨王璞孟会贤李忠艳...
    63-74页
    查看更多>>摘要：受机器学习研究2-qubit系统上量子态导引性探测的启发，本文利用不同的机器学习方法研究qubit-qutrit系统上量子态导引性的探测，发现:(1)对于随机态、Werner态和UN态(一类新构造的Alice不可导引Bob的纠缠态)都有导引性探测准确率达到95％以上的监督或半监督机器学习方法;(2)由监督机器学习方法预测的导引界，大部分高于理论提供的不可导引界，低于半正定规划算法(SDP)确定的导引界，这表明机器学习方法对qubit-qutrit系统中量子态导引性探测具有可靠性，且较SDP方法可探测到更多的导引态，为利用机器学习方法探测两体高维系统中量子态导引性奠定基础。

    qubit-qutrit系统量子态导引性探测支持向量机安全半监督支持向量机正样本-无标签样本算法极端梯度提升算法

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    Kerr-Ads和KN-Ads解在f(R)引力中的解析推广

    李平刘永强许思维杨江河...
    75-84页
    查看更多>>摘要：本文将Carter计算旋转黑洞的方法推广到f(R)引力，并解析计算得到了Kerr-Ads和KN-Ads解。Carter认为，测试粒子在黑洞时空背景中运动的过程要求Klein-Gordon方程是可分离变量的。该物理条件会反过来约束时空度规的形式，使其成为可分离正则度规形式。基于该度规形式并假定Ricci标量为常数，本文分别计算得到了f(R)引力中的旋转不带电黑洞和旋转带电黑洞。本文的所有计算过程都是严格的解析推导。在计算Einstein张量时，我们采用了活动标架法，并利用了Cartan结构方程。为了能够快速简洁地得到解析解，我们主要求解了Einstein方程中的3个分量，并给出了这3个方程的尝试解。值得注意的是，本文没有选取特定的f(R)模型，计算是在最一般的f(R)理论中进行。该解析计算过程是普适的，能够应用于其他修正引力。

    f(R)引力Kerr-Ads度规KN-Ads度规解析计算

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    基于阵列叠加OAM编码的图像传输方法及系统

    胡骏保雷雨莫绪涛吴建光...
    85-92页
    查看更多>>摘要：阵列OAM编码传输是一种提高信息容量的潜在方法，对实现大容量光通信具有重要研究价值，但存在系统复杂度高、调控不灵活的问题。本文提出了一种可灵活调控的阵列叠加OAM编码图像传输的方法，通过设计2×2达曼光栅生成2×2阵列高斯光束，随后通过匹配整合涡旋全息光栅生成2×2阵列叠加涡旋光束，阵列叠加涡旋光束的各子通道均可自由独立调控，且实验装置简单、易于操作。基于此，搭建了阵列叠加OAM编码图像传输系统，对一幅小狗灰度图像进行编码及传输。实验结果表明:在无任何干扰的情况下，实现了零误码的图像传输;在有湍流干扰情况下，图像传输误码率为0。001;在严重湍流干扰情况下，传输误码率达到0。089。此外，采用2x2阵列涡旋光模式，相对于传统单涡旋光编码数据传输的方法，所携带的信息容量扩大了4倍。该阵列叠加涡旋光编码通信方法及系统对实现大容量OAM光通信具有重要参考价值。

    涡旋光束阵列光束轨道角动量光通信

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    弯曲声黑洞结构纵弯耦合振动超声手术刀

    陈诚刘洋郭建中林书玉...
    93-106页
    查看更多>>摘要：基于弯曲声黑洞结构独特的声波捕获和聚焦能力，本文提出了一种新型纵弯耦合振动超声手术刀。该手术刀由压电超声换能器、复合变幅杆、竹节刀杆，以及弯曲声黑洞刀头组合而成，其中弯曲声黑洞刀头的厚度与弯曲角度θ呈高次幂律函数关系。利用传输矩阵法和等效电路法构建了弯曲声黑洞刀头和超声手术刀纵弯耦合振动的精确理论分析模型，以揭示潜在的物理机制和设计原理。利用有限元法对理论计算结果进行了初步验证，并将弯曲声黑洞超声手术刀与常规超声手术刀进行了振动和声场对比。结果表明，弯曲声黑洞刀头设计能够显著提升手术刀的振动位移和侧向声能辐射，实现更高效的手术切割和止血。制造了弯曲声黑洞超声手术刀样机，通过电阻抗分析和激光测振实验充分验证了其实际可操作性。

    弯曲声黑洞结构超声手术刀纵弯耦合振动辐射声场

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    杠铃运动的生物力学分析与优化

    赵彬皓石智勇徐异宁黄斌...
    107-118页
    查看更多>>摘要：不正确的杠铃硬拉和深蹲动作会增加腰椎间盘的压力，从而导致损伤风险。本文建立了一个以踝、膝、髋等关节为节点的三维人体生物力学模型，显著优于传统的二维提拉模型。该三维模型能更全面地模拟杠铃运动中的动态力学行为，允许准确计算在复杂运动姿态下的关节压力和剪力。模型计算了不同运动姿态对腰椎L5/S1关节的压力和剪力，探讨了不同站姿角度和踝关节最大屈曲角对L5/S1关节压力峰值的影响。结果表明，增大踝关节的最大屈曲角对减轻腰椎压力峰值具有显著效果，而通过调整站姿角度对压力峰值的降低作用不明显。此外，本研究还针对特定个体(奥运举重冠军石智勇)进行了模拟，验证了模型的个性化适用性。本研究不仅为理解和优化杠铃运动提供了科学依据，也为设计安全有效的训练计划提供了数字化指导。

    杠铃运动生物力学运动优化

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    天然气水合物藏径向井充填辅助降压开发模拟方法及产能变化规律研究

    刘永革张旭侯健CLARKE Matthew...
    119-135页
    查看更多>>摘要：针对天然气水合物藏径向井充填辅助降压开发缺乏有效模拟手段的缺陷，首先对Tough+Hydrate软件进行了二次开发，分别建立了基质和充填区中的质量和能量守恒方程，并对离散裂缝方法进行了修正，形成了径向井充填辅助降压开发数值模拟方法。然后，对比了直井降压、水平井降压、径向井降压和径向井充填辅助降压4种开发方式的产能和物理场变化规律。最后，分析了产能影响因素并提出了提高产能的措施和方向。研究结果表明，径向井充填区可有效加快自由水和分解气的产出，进而大幅提高储层降压速率。但由于充填区中的多孔介质会对流体渗流产生阻力作用，径向井充填后相比于无充填时累产气量降低了 17。6％。充填区直径和渗透率越大，降压开发产能越高，但充填区分支长度存在最优值。在保证作业安全的前提下，应使用大尺寸钻头和大粒径支撑剂，进而提高降压开发产能。

    天然气水合物径向井降压开发双重介质数值模拟

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