經(jīng)過(guò)幾十年的嘗試，科學(xué)家們首次直接觀(guān)察到一種奇異的物理現象，涉及光波、合成磁場(chǎng)和時(shí)間反轉，這一新發(fā)現可能促使拓撲階段的實(shí)現，并最終走向容錯量子計算機。這項新發(fā)現涉及非阿貝爾Aharonov-Bohm效應，并由麻省理工學(xué)院研究生楊毅，麻省理工學(xué)院訪(fǎng)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)現與規范場(chǎng)有關(guān)，規范場(chǎng)描述了粒子經(jīng)歷的轉變。規范字段分為兩類(lèi)，稱(chēng)為Abelian和非Abelian。阿哈羅諾夫-博姆效應(Aharonov-Bohm effect)是以1959年作出預測的理論家名字命名，證實(shí)了規范場(chǎng)不僅僅是一種純粹的數學(xué)輔助，也具有物理成果。但是這些觀(guān)察只在阿貝爾系統中起作用，或者在那些規范場(chǎng)是可交換的系統中工作，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推廣到非阿貝爾，作為一種思想實(shí)驗。
然而，尚不清楚是否有可能在非阿貝爾系統中觀(guān)察到這種影響。即使可以產(chǎn)生，物理學(xué)家缺乏在實(shí)驗室中創(chuàng )造這種效應的方法，也缺乏檢測這種效應的方法?，F在，這兩個(gè)謎題都已經(jīng)解決了，觀(guān)測也成功地進(jìn)行了。這種影響與現代物理學(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象都是時(shí)間不變。這意味著(zhù)粒子和力相互作用方式的細節可以在時(shí)間上向前或向后運行，而事件如何展開(kāi)的電影可以在兩個(gè)方向上運行，所以沒(méi)有辦法區分哪個(gè)是真正的版本。
但是一些奇異現象破壞了這種時(shí)間對稱(chēng)性。創(chuàng )造Aharonov-Bohm效應的Abelian版本需要打破時(shí)間反轉對稱(chēng)性，這本身就是一項具有挑戰性的任務(wù)。但是要達到非阿貝爾版本的效果需要打破這種時(shí)間反轉多次，并以不同的方式，使其成為一個(gè)更大的挑戰。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(lèi)型的時(shí)間反轉斷裂。使用光纖產(chǎn)生兩種類(lèi)型的規范場(chǎng)，這兩種類(lèi)型規范場(chǎng)影響光波的幾何相位，第一種是通過(guò)被強大磁場(chǎng)偏置的晶體發(fā)送，第二種是通過(guò)時(shí)變電信號調制它們，這兩種方式都打破了時(shí)間反轉對稱(chēng)性。
然后能夠產(chǎn)生干涉圖案，揭示出當以相反的方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)通過(guò)光纖系統時(shí)，光如何受到影響的差異。在沒(méi)有打破時(shí)間反轉不變性的情況下，光束本應是相同的，但相反，干涉圖樣如預測的那樣揭示了特定差異集合，展示了難以捉摸效應的細節。最初Abelian版本的Aharonov-Bohm效應“已經(jīng)通過(guò)一系列實(shí)驗努力被觀(guān)察到了，但是非Abelian效應直到現在才被觀(guān)察到。這一發(fā)現“能讓物理學(xué)家們做很多事情”，打開(kāi)了包括經(jīng)典和量子物理機制在內各種潛在實(shí)驗的大門(mén)，以探索效應的變化。
研究設計的實(shí)驗方法“可能會(huì )激發(fā)使用光子、極化子、量子氣體和超導量子比特的量子模擬中奇異拓撲相的實(shí)現”。對于光子學(xué)本身來(lái)說(shuō)，這可能在各種光電應用中都是有用的。此外，該小組能夠合成非阿貝爾規范場(chǎng)產(chǎn)生了非阿貝爾貝利相結合相互作用，有朝一日可能成為容錯拓撲量子計算的平臺。在這一點(diǎn)上，實(shí)驗主要是對基礎物理研究感興趣，目的是更好地理解現代物理理論的一些基本基礎，許多可能的實(shí)際應用“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
聯(lián)系客服
