科学家首次观测到时间反转的奇异物理现象

研究人员制作了实验的干涉图(上图)和威尔逊量子圈图(下图)，以证实研究中产生的非阿贝尔规范场的存在。(研究人员提供的图片)

经过几十年的尝试，人们第一次观察到一种奇怪的物理现象，包括光波、合成磁场和时间反转。这一发现将推动拓扑相位的实现，并最终推动容错量子计算机的发展。

这项研究是由麻省理工学院和宾夕法尼亚大学的几名学者共同完成的，已经发表在《科学》杂志上。

这一发现与描述粒子跃迁的规范场有关。规范场分为两种类型，即阿贝尔规范场和非阿贝尔规范场。1959年，两位理论家提出了阿哈龙诺夫-博姆效应的存在。实验证实，规范场不仅是一个简单的数学辅助，而且是一个物理水平的实验结果。

然而，这些观察仅在阿贝尔场中有效，也就是说，它们可以在时间维度上以相同的方式向前或向后发生。1975年，吴大军和杨振宁利用理论实验将这种效应扩展到非阿贝尔态，但物理学家不知道这种效应是否能在非阿贝尔系统中实际观察到。长期以来，研究人员没有在实验室找到实现这种效应的方法，也缺乏检测这种效应的手段。但现在，这两个问题已经解决，观测工作已经成功实现。

这种效应与现代物理学中一种奇怪的违反直觉的现象有关，即时间反转对称，也就是说，对于几乎所有的基本物理现象，它们的时间是恒定的。这意味着粒子和力之间的相互作用可以一起向前或向后移动。但是就像一部同时在两个方向播放的电影一样，你无法分辨哪个是真正的版本。然而，有一些奇怪的现象打破了这个时间的对称性。

要建立阿贝尔规范场版本的阿哈龙诺夫-博姆效应，需要打破时间的反转对称性，这本身就是一项非常具有挑战性的任务。然而，为了实现非阿贝尔版本的A-B效应，有必要以不同的方式多次打破这种时间反转，这无疑是一个更大的挑战。

为了产生这种效果，研究人员在实验中使用光子极化以两种不同的方式打破时间反转。他们使用光纤来产生两种规范场，这两种规范场可以影响光波的几何相位。一个通过被强磁场偏置的晶体传输。另一种是由时变电信号调制的。这两种方法都打破了时间反转的对称性。因此，通过干涉图案，顺时针或逆时针方向通过光纤系统的光的影响之间的差异被揭示。

如果时间反转对称性没有被打破，光束应该都是一样的，但是它们的干涉图像显示了与预期的不同，显示了非阿贝尔阿哈洛诺夫-博姆效应的难以捉摸的细节。

在此之前，物理学家通过一系列实验观察到了阿哈洛诺夫-博姆效应的原始版本，但直到最近他们才最终观察到非阿贝尔规范场的版本。这个实验将为各种实验打开大门，包括经典物理学和量子物理学，探索这种效应的各种变化。

研究人员在这个实验中使用的方法可能刺激在使用光子、极化子、量子气体和超导量子位的量子模拟中拓扑相位的实现。对于光子学来说，实验本身也可以在许多光子应用中发挥作用。此外，合成的非阿贝尔规范场产生非阿贝尔相位，结合相互作用，有一天可能产生容错拓扑量子计算平台。

对于这一点，本实验的主要兴趣点是基础物理研究，目的是更好地理解现代物理理论的一些基础。如果要完成更多的实际应用，还需要进一步的突破。

另一方面，对于量子计算，这个实验也需要从单个设备扩展到一个阵列。此外，与本实验中使用的激光束不同，量子计算使用单光子源。但是即使以目前的形式，这个系统也可以用来探索拓扑物理中的问题。

关于这个实验，哈佛大学的物理学教授Ashvin Vishwanath评论道:“非abelberg阶段是物理学理论中的一颗宝石，也是通向当代物理学中许多有趣想法的大门。它得到了应有的实验性关注。我希望这项工作不仅能直接促进更复杂的建筑的发展，还能促进其他研究的实现。”

《科技日报》编译的蝌蚪员工