物理学家首次观测到这种奇异的现象

　　在数十年的尝试之后，科学家首次直接观测到了一种涉及到光波、合成磁场和时间反转的奇异物理现象。新的发现有望实现一种特殊的物质状态——拓扑相，从而推动容错量子计算机的发展。这一发表这《科学》杂志上的新研究与非阿贝尔阿哈罗诺夫-玻姆效应（Aharonov-Bohm Effect）有关。

　　在物理学中，规范场描述了粒子所经历的转变，而这一新的发现就与规范场有关。规范场分为两类，一种为阿贝尔规范场，另一种为非阿贝尔规范场。1959 年，两位理论学家预言出后来以他们名字命名的阿哈罗诺夫-玻姆效应效应，证实了规范场不仅仅是一种纯粹的数学辅助，而是真的能具有物理上的结果。

　　但是，这些观测都只在阿贝尔系统中有效，或者说是在那些规范场是可对易的系统中有效。这也就是说，在时间上，这些系统能以相同的方式朝前和朝后发生。1975 年，吴大峻和杨振宁利用一个思想实验，将这种效应推广到了非阿贝尔领域。然而，物理学家并不知道这种效应是否能在非阿贝尔系统中被观察到。一直以来，物理学家都无法在实验室创造出这种效应，而且即使能够产生这种效应，也没有能够检测这种效应的方法。但现在，这两个难题都已得到解决，并且还成功地实现了观测。

　　这种效应与现代物理学中地一个奇怪的反直觉方面有关，那就是几乎所有的基本物理现象都是时间不变的。这意味着粒子与力之间的相互作用方式在时间上可以向前或向后运行，即记录事件如何展开的电影是可以在两个方向上播放的，而你却无法分辨哪个是真实的版本。但是，一些奇异的现象破坏了这种时间对称性。

　　创建阿哈罗诺夫-玻姆效应效应的阿贝尔版本需要打破时间逆转对称性，这本身就是一个极具挑战性的任务。但要达到非阿贝尔版本的效应，则还需要以不同的方式多次打破这种时间逆转，因此这无疑是一个更大的挑战。

　　为了产生这种效应，研究人员在实验中用到了光子偏振。然后，他们制造出了两种不同的时间反转破缺。他们通过光纤产生了两种能影响光波的几何相位的规范场，一种是通过一个因强磁场而被偏加压的晶体，另一种是通过时变电信号对光波进行调制，这两种情况都打破了时间反转对称性。接着它们就能产生干涉图样，从而揭示出光在顺时针或逆时针方向穿过光纤系统时所受到的影响的不同之处。如果没有破坏时间反转不变性，那么光束应该都相同，但结果显示它们的干涉模式出现了如预期所料的差异，展示出了这种效应难以捉摸的细节。

　　在此之前，物理学家已经通过一系列实验观测到了最原始的阿哈罗诺夫-玻姆效应的阿贝尔版本，但直到现在才观察到非阿贝尔效应。物理学家可以利用这一发现做很多事，无论是在经典领域还是量子领域，它都为各种探索这种效应变化的实验打开了一扇大门。

　　研究人员设计的这种实验方法或许可以激发在量子模拟中使用光子、极化声子、量子气体，以及超导量子比特的拓扑相的实现。而对于光子学来说，这在许多光电子应用中都能发挥作用。此外，研究小组能够合成的非阿贝尔规范场产生了非阿贝尔贝里相（Berry phase），与相互作用结合，这或许有潜力在未来创造出一个容错拓扑量子计算的平台。

研究人员制造的干涉图样（上）和威尔逊回路（下）的图像，以确认研究中所创造的非阿贝尔规范场的存在。图片来源：Yang et. al. / Science

　　目前为止，这项实验的主要兴趣点在于基础物理学研究，其目标是为了更好地理解现代物理理论中的一些基础。如果想要实现一些实际应用，则还需要在更多其他方面创造突破。

　　首先，对于量子计算来说，将会需要这个实验从一个单一的设备扩展成一整个阵列的设备；而且不同于目前实验中所使用的激光束，量子计算需要使用单光子光源。尽管要将这个系统用于量子计算或许还有一段很长的路要走，但即使是以目前的情况，它也已经可以用来探索在物理拓扑学方面的问题。

　　可以说，非阿贝尔-贝里相是物理理论中一颗璀璨的宝石，是解开当代物理学中许多有趣思想的钥匙。现在，它在物理学研究中得到了应有的实验性关注，这是非常值得高兴和期待的。新的研究报告了一种控制良好描述良好的实现。我们有理由期待这项工作不仅能直接作为建造更复杂系统的一块基石，也能间接地激励其他的实现。

　　撰文：David L. Chandler

　　原文标题为“Exotic physics phenomenon is observed for first time”，于 2019 年 9 月 5 日首发于 MIT News，原文链接：http://news.mit.edu/2019/aharonov-bohm-effect-physics-observed-0905，中文内容略有编辑，仅供参考，一切内容以原文为准。