經(jīng)過(guò)幾十年的嘗試，科學(xué)家們首次直接觀察到一種奇異的物理現(xiàn)象，涉及光波、合成磁場(chǎng)和時(shí)間反轉(zhuǎn)，這一新發(fā)現(xiàn)可能促使拓?fù)潆A段的實(shí)現(xiàn)，并最終走向容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)涉及非阿貝爾Aharonov-Bohm效應(yīng)，并由麻省理工學(xué)院研究生楊毅，麻省理工學(xué)院訪問(wèn)學(xué)者趙鵬(北京大學(xué)教授)，麻省理工學(xué)院研究生朱迪，克羅地亞薩格勒布大學(xué)Hrvoje Buljan教授，麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授John Joannopoulos，賓夕法尼亞大學(xué)博震教授，麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授馬林·索爾賈西奇。

這一發(fā)現(xiàn)與規(guī)范場(chǎng)有關(guān)，規(guī)范場(chǎng)描述了粒子經(jīng)歷的轉(zhuǎn)變。規(guī)范字段分為兩類，稱為Abelian和非Abelian。阿哈羅諾夫-博姆效應(yīng)(Aharonov-Bohm effect)是以1959年作出預(yù)測(cè)的理論家名字命名，證實(shí)了規(guī)范場(chǎng)不僅僅是一種純粹的數(shù)學(xué)輔助，也具有物理成果。但是這些觀察只在阿貝爾系統(tǒng)中起作用，或者在那些規(guī)范場(chǎng)是可交換的系統(tǒng)中工作，也就是說(shuō)在時(shí)間上的向前和向后都是以相同方式發(fā)生。1975年楊振寧等人將這一效應(yīng)推廣到非阿貝爾，作為一種思想實(shí)驗(yàn)。

然而，尚不清楚是否有可能在非阿貝爾系統(tǒng)中觀察到這種影響。即使可以產(chǎn)生，物理學(xué)家缺乏在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造這種效應(yīng)的方法，也缺乏檢測(cè)這種效應(yīng)的方法?，F(xiàn)在，這兩個(gè)謎題都已經(jīng)解決了，觀測(cè)也成功地進(jìn)行了。這種影響與現(xiàn)代物理學(xué)一個(gè)奇怪和違反直覺(jué)的方面有關(guān)，那就是幾乎所有的基本物理現(xiàn)象都是時(shí)間不變。這意味著粒子和力相互作用方式的細(xì)節(jié)可以在時(shí)間上向前或向后運(yùn)行，而事件如何展開(kāi)的電影可以在兩個(gè)方向上運(yùn)行，所以沒(méi)有辦法區(qū)分哪個(gè)是真正的版本。

但是一些奇異現(xiàn)象破壞了這種時(shí)間對(duì)稱性。創(chuàng)造Aharonov-Bohm效應(yīng)的Abelian版本需要打破時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，這本身就是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。但是要達(dá)到非阿貝爾版本的效果需要打破這種時(shí)間反轉(zhuǎn)多次，并以不同的方式，使其成為一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。為了產(chǎn)生這種效果，研究人員使用光子極化，然后產(chǎn)生了兩種不同類型的時(shí)間反轉(zhuǎn)斷裂。使用光纖產(chǎn)生兩種類型的規(guī)范場(chǎng)，這兩種類型規(guī)范場(chǎng)影響光波的幾何相位，第一種是通過(guò)被強(qiáng)大磁場(chǎng)偏置的晶體發(fā)送，第二種是通過(guò)時(shí)變電信號(hào)調(diào)制它們，這兩種方式都打破了時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性。

然后能夠產(chǎn)生干涉圖案，揭示出當(dāng)以相反的方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)通過(guò)光纖系統(tǒng)時(shí)，光如何受到影響的差異。在沒(méi)有打破時(shí)間反轉(zhuǎn)不變性的情況下，光束本應(yīng)是相同的，但相反，干涉圖樣如預(yù)測(cè)的那樣揭示了特定差異集合，展示了難以捉摸效應(yīng)的細(xì)節(jié)。最初Abelian版本的Aharonov-Bohm效應(yīng)“已經(jīng)通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)努力被觀察到了，但是非Abelian效應(yīng)直到現(xiàn)在才被觀察到。這一發(fā)現(xiàn)“能讓物理學(xué)家們做很多事情”，打開(kāi)了包括經(jīng)典和量子物理機(jī)制在內(nèi)各種潛在實(shí)驗(yàn)的大門(mén)，以探索效應(yīng)的變化。

研究設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法“可能會(huì)激發(fā)使用光子、極化子、量子氣體和超導(dǎo)量子比特的量子模擬中奇異拓?fù)湎嗟膶?shí)現(xiàn)”。對(duì)于光子學(xué)本身來(lái)說(shuō)，這可能在各種光電應(yīng)用中都是有用的。此外，該小組能夠合成非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)產(chǎn)生了非阿貝爾貝利相結(jié)合相互作用，有朝一日可能成為容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算的平臺(tái)。在這一點(diǎn)上，實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)基礎(chǔ)物理研究感興趣，目的是更好地理解現(xiàn)代物理理論的一些基本基礎(chǔ)，許多可能的實(shí)際應(yīng)用“將需要進(jìn)一步的突破”。

博科園｜研究/來(lái)自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aay3183

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