打破时间反转对称性！首次直接观察到奇异的物理现象

经过几十年的尝试，科学家们首次直接观察到一种奇异的物理现象，涉及光波、合成磁场和时间反转，这一新发现可能促使拓扑阶段的实现，并最终走向容错量子计算机。这项新发现涉及非阿贝尔Aharonov-Bohm效应，并由麻省理工学院研究生杨毅，麻省理工学院访问学者赵鹏(北京大学教授)，麻省理工学院研究生朱迪，克罗地亚萨格勒布大学Hrvoje Buljan教授，麻省理工学院物理学教授John Joannopoulos，宾夕法尼亚大学博震教授，麻省理工学院物理学教授马林·索尔贾西奇。

这一发现与规范场有关，规范场描述了粒子经历的转变。规范字段分为两类，称为Abelian和非Abelian。阿哈罗诺夫-博姆效应(Aharonov-Bohm effect)是以1959年作出预测的理论家名字命名，证实了规范场不仅仅是一种纯粹的数学辅助，也具有物理成果。

但是这些观察只在阿贝尔系统中起作用，或者在那些规范场是可交换的系统中工作，也就是说在时间上的向前和向后都是以相同方式发生。1975年杨振宁等人将这一效应推广到非阿贝尔，作为一种思想实验。

然而，尚不清楚是否有可能在非阿贝尔系统中观察到这种影响。即使可以产生，物理学家缺乏在实验室中创造这种效应的方法，也缺乏检测这种效应的方法。现在，这两个谜题都已经解决了，观测也成功地进行了。这种影响与现代物理学一个奇怪和违反直觉的方面有关，那就是几乎所有的基本物理现象都是时间不变。这意味着粒子和力相互作用方式的细节可以在时间上向前或向后运行，而事件如何展开的电影可以在两个方向上运行，所以没有办法区分哪个是真正的版本。

但是一些奇异现象破坏了这种时间对称性。创造Aharonov-Bohm效应的Abelian版本需要打破时间反转对称性，这本身就是一项具有挑战性的任务。但是要达到非阿贝尔版本的效果需要打破这种时间反转多次，并以不同的方式，使其成为一个更大的挑战。为了产生这种效果，研究人员使用光子极化，然后产生了两种不同类型的时间反转断裂。使用光纤产生两种类型的规范场，这两种类型规范场影响光波的几何相位，第一种是通过被强大磁场偏置的晶体发送，第二种是通过时变电信号调制它们，这两种方式都打破了时间反转对称性。

然后能够产生干涉图案，揭示出当以相反的方向(顺时针或逆时针)通过光纤系统时，光如何受到影响的差异。在没有打破时间反转不变性的情况下，光束本应是相同的，但相反，干涉图样如预测的那样揭示了特定差异集合，展示了难以捉摸效应的细节。最初Abelian版本的Aharonov-Bohm效应“已经通过一系列实验努力被观察到了，但是非Abelian效应直到现在才被观察到。这一发现“能让物理学家们做很多事情”，打开了包括经典和量子物理机制在内各种潜在实验的大门，以探索效应的变化。

研究设计的实验方法“可能会激发使用光子、极化子、量子气体和超导量子比特的量子模拟中奇异拓扑相的实现”。对于光子学本身来说，这可能在各种光电应用中都是有用的。此外，该小组能够合成非阿贝尔规范场产生了非阿贝尔贝利相结合相互作用，有朝一日可能成为容错拓扑量子计算的平台。在这一点上，实验主要是对基础物理研究感兴趣，目的是更好地理解现代物理理论的一些基本基础，许多可能的实际应用“将需要进一步的突破”。

博科园｜研究/来自：麻省理工学院

参考期刊《科学》

DOI: 10.1126/science.aay3183

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