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奇異!科學家首次觀測到時間反轉

在數十年的嘗試之後,人們首次觀測到了一種同時涉及到光波、合成磁場和時間反轉的奇異物理現象。這一發現或將推動拓撲相的實現,並最終推動容錯量子計算機的發展。

該研究由來自麻省理工學院和賓夕法尼亞大學的多位學者共同完成,並已發表於《科學》雜誌

這一發現與描述了粒子轉變的規範場有關。規範場分為兩類,即阿貝爾規範場和非阿貝爾規範場。在1959年,兩位理論學家提出了阿哈羅諾夫-玻姆效應的存在,該實驗證實了規範場並不僅僅是一種單純的數學輔助工具,而是真的具有物理層面的實驗結果。

但是這些觀測都只在阿貝爾場中有效,也就是說,在時間維度上,它們能以相同的方式朝前或向後發生。1975年,吳大俊和楊振寧用一個理論實驗將這種效應擴充到了非阿貝爾態的領域,但物理學家們並不知道這種效應是否能在非阿貝爾系統中被實際觀測到。

一直以來,研究人員始終沒有找到在實驗室中實現這種效應的方法,也缺乏檢測該效應的手段。但如今,這兩個難題都已得到解決,並成功地實現了觀測工作。

這種效應與現代物理學中一個奇怪的反直覺現象有關,即時間反演對稱性,也就是說對於幾乎所有的基本物理現象而言,它們的時間都是不變的。

這意味着粒子與力的相互作用可以在時間上一起向前或向後移動,但就像一部電影同時在兩個方向上播放一樣,你無法分辨究竟哪一個才是真實的版本。

然而,有一些奇異的現象破壞了這種時間對稱性。

要創造出阿貝爾規範場版本的阿哈羅諾夫-玻姆效應需要打破時間的反演對稱性,而這本身就是一項極具挑戰性的任務。但若要達到非阿貝爾態版本的A-B效應,則還需要以不同的方式多次打破這種時間翻轉,這無疑是一個更大的挑戰。

為了製造出這種效應,研究人員在實驗中使用了光子偏振,實現了用兩種不同的方式打破時間反轉。

他們用光纖產生了兩種能影響到光波的幾何相位的規範場,一種是通過一個被強磁場偏置的晶體發送,一種則是用時變電信號對光波進行調製,兩種方法都打破了時間反演對稱性。於是通過干涉圖樣,揭示出了光分別在順時針或逆時針方向通過光纖系統時所受影響之間的差異。

如果沒有打破時間反演對稱性,光束就應該都是相同的,但它們的干涉圖像卻顯示出了與預期所料的差異性,展現出了非阿貝爾態阿哈羅諾夫-玻姆效應那令人難以捉摸的細節。

在此之前,物理學家已經通過一系列實驗觀測到了原始版本的阿哈羅諾夫-玻姆效應,但直到近日才終於觀察到非阿貝爾規範場的版本。該實驗將為各類實驗打開大門,包括經典物理和量子物理領域,以探索這種效應的各種變化。

研究人員在該實驗中使用到的方法或許將激發在量子模擬中,利用光子、極化子、量子氣體和超導量子比特實現拓撲相的實現,而且對於光子學來說,該實驗本身也能在許多光子應用中發揮作用。

此外,此次合成的非阿貝爾規範場產生了非阿貝爾貝里相,並與相互作用結合,可能有一天會孕育出一個容錯拓撲量子計算平台。

對於這一點而言,該實驗的主要興趣點是基礎物理研究,目的是為了更好的理解現代物理理論的一些基礎。如果要完成更多可能的實際應用,將需要進一步的突破。

另一方面,對於量子計算來說,這個實驗也需要從一個單一的裝置擴大成一個陣列,而且不同於此次實驗中使用到的激光束,量子計算要使用的是單光子源。但即便只是目前這個形式,該系統也可用來探索拓撲物理學方面的問題。

關於該實驗,來自哈佛大學的物理學教授Ashvin Vishwanath評論道:“非阿貝爾貝里相是物理理論上的寶石,也是通向當代物理學許多有趣的想法的大門。它得到了它應有的實驗性關注,我希望這項工作不僅能直接促進更複雜的體系結構的發展,同時還能激勵其它研究的實現。”

阿波羅網責任編輯:王和 來源:尖端1號 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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