不起眼的玻璃芯片中的粒子物理学量子光学如何阐明夸克的本质

德国罗斯托克大学的科学家能够在光子系统中重建基本粒子物理学领域的基本物理特性。结果发表在《自然物理学》上。

在他们的基础研究中，实验物理学家经常使用巨大而复杂的机器：巨大的粒子加速器以接近光速的速度将微观粒子粉碎在一起，释放出难以想象的能量。在这些碰撞的遗迹中，科学家们寻找宇宙基本力的特征。

自20世纪70年代以来，人们发现了一个名副其实的粒子动物园，并将其组织成粒子物理学的标准模型。其中包括夸克，这是质子和中子的基本组成部分。这些不寻常的粒子服从它们自己的、非常特殊的特性，这些特性使它们有别于任何其他形式的物质。例如，虽然只有一种电荷，可以是正电荷，也可以是负电荷，但夸克的行为基于完全不同的物理定律。

罗斯托克大学宏观系统量子光学研究组负责人StefanScheel教授解释说：“除了电荷，夸克还带有它们自己的色荷：红色、绿色或蓝色。当然，这与彩虹中发现的颜色无关。”

正是由于这种奇特的行为，个别夸克顽固地逃避任何直接观察。最近，德国科学家小组通过以类似配置制备光，设法研究了夸克的基本对称性。

罗斯托克大学实验固态光学研究组负责人AlexanderSzameit教授描述了实验方法，“我们使用高强度激光脉冲，在一块不起眼的玻璃上刻上光电路。在这样的光子芯片中，可以对复杂现象进行建模，夸克的色荷只是其中之一。”

为了模拟这种电荷，罗斯托克的科学家们不得不利用量子光的奇特特性。光的粒子(所谓的光子)不仅可以同时存在于几个地方，而且任意数量的光子也可以存在于完全相同的地方。

“通过这种方式，当光子通过光子电路传播时，可以设计出所谓的完整律。这些抽象对象通常是数学家的竞技场。但是，事实证明，它们也描述了量子系统的可能对称性，并且有一些非常有趣的特性。例如，它们不依赖于流逝的时间，这在物理学中很少见，”该作品的主要作者之一维拉·尼夫(VeraNeef)作为她的博士说。围绕完整量子光学的新领域展开。

第二主要作者JulienPinske，他正在攻读博士学位。从理论物理学的角度研究完整律，阐述道，“为了模拟三种不同的色荷，有必要设计一个三维的完整律。到目前为止，只有光子可以做到这一点，这超出了我们对自然界的日常直觉”

从他们第一次通过实验实现这种效应开始，这组科学家就期待对夸克迷人的物理学有更深入的了解。除了对此类基础物理学的研究之外，报告的结果可能对未来量子技术(包括量子计算机)的设计有用。在那里，完整法可能会成为使量子性具有足够弹性以用于商业用途的关键成分。