奇异!科学家首次观测到时间反转

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在数十年的尝试之后,人们首次观测到了一种同时涉及到光波、合成磁场和时间反转的奇异物理现象。这一发现或将推动拓扑相的实现,并最终推动容错量子计算机的发展。

该研究由来自麻省理工学院和宾夕法尼亚大学的多位学者共同完成,并已发表于《科学》杂志。

这一发现与描述了粒子转变的规范场有关。规范场分为两类,即阿贝尔规范场和非阿贝尔规范场。在1959年,两位理论学家提出了阿哈罗诺夫-玻姆效应的存在,该实验证实了规范场并不仅仅是一种单纯的数学辅助工具,而是真的具有物理层面的实验结果。

但是这些观测都只在阿贝尔场中有效,也就是说,在时间维度上,它们能以相同的方式朝前或向后发生。1975年,吴大俊和杨振宁用一个理论实验将这种效应扩充到了非阿贝尔态的领域,但物理学家们并不知道这种效应是否能在非阿贝尔系统中被实际观测到。

一直以来,研究人员始终没有找到在实验室中实现这种效应的方法,也缺乏检测该效应的手段。但如今,这两个难题都已得到解决,并成功地实现了观测工作。

这种效应与现代物理学中一个奇怪的反直觉现象有关,即时间反演对称性,也就是说对于几乎所有的基本物理现象而言,它们的时间都是不变的。

这意味着粒子与力的相互作用可以在时间上一起向前或向后移动,但就像一部电影同时在两个方向上播放一样,你无法分辨究竟哪一个才是真实的版本。

然而,有一些奇异的现象破坏了这种时间对称性。

要创造出阿贝尔规范场版本的阿哈罗诺夫-玻姆效应需要打破时间的反演对称性,而这本身就是一项极具挑战性的任务。但若要达到非阿贝尔态版本的A-B效应,则还需要以不同的方式多次打破这种时间翻转,这无疑是一个更大的挑战。

为了制造出这种效应,研究人员在实验中使用了光子偏振,实现了用两种不同的方式打破时间反转。

他们用光纤产生了两种能影响到光波的几何相位的规范场,一种是通过一个被强磁场偏置的晶体发送,一种则是用时变电信号对光波进行调制,两种方法都打破了时间反演对称性。于是通过干涉图样,揭示出了光分别在顺时针或逆时针方向通过光纤系统时所受影响之间的差异。

如果没有打破时间反演对称性,光束就应该都是相同的,但它们的干涉图像却显示出了与预期所料的差异性,展现出了非阿贝尔态阿哈罗诺夫-玻姆效应那令人难以捉摸的细节。

在此之前,物理学家已经通过一系列实验观测到了原始版本的阿哈罗诺夫-玻姆效应,但直到近日才终于观察到非阿贝尔规范场的版本。该实验将为各类实验打开大门,包括经典物理和量子物理领域,以探索这种效应的各种变化。

研究人员在该实验中使用到的方法或许将激发在量子模拟中,利用光子、极化子、量子气体和超导量子比特实现拓扑相的实现,而且对于光子学来说,该实验本身也能在许多光子应用中发挥作用。

此外,此次合成的非阿贝尔规范场产生了非阿贝尔贝里相,并与相互作用结合,可能有一天会孕育出一个容错拓扑量子计算平台。

对于这一点而言,该实验的主要兴趣点是基础物理研究,目的是为了更好的理解现代物理理论的一些基础。如果要完成更多可能的实际应用,将需要进一步的突破。

另一方面,对于量子计算来说,这个实验也需要从一个单一的装置扩大成一个阵列,而且不同于此次实验中使用到的激光束,量子计算要使用的是单光子源。但即便只是目前这个形式,该系统也可用来探索拓扑物理学方面的问题。

关于该实验,来自哈佛大学的物理学教授Ashvin Vishwanath评论道:“非阿贝尔贝里相是物理理论上的宝石,也是通向当代物理学许多有趣的想法的大门。它得到了它应有的实验性关注,我希望这项工作不仅能直接促进更复杂的体系结构的发展,同时还能激励其它研究的实现。”

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文章出处:蝌蚪五线谱

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