Впервые физики из ЦЕРНа уговорили антипротон — зеркальный двойник материи, из которой состоит наш мир, — вести себя как квантовый бит или кубит. Антипротон удерживал квантовое равновесие, колеблясь между спиновыми состояниями, не доли секунды, а целых 50 секунд.

Этот необычный подвиг, достигнутый коллаборацией BASE в ЦЕРНе, представляет собой преднамеренный, деликатный шаг к более глубоким вопросам Вселенной, к тревожной загадке о том, почему вообще что-то существует.

Первый квантовый бит антиматерии

В основе эксперимента лежит вопрос, который до сих пор не дает покоя физикам: почему Вселенная почти полностью состоит из материи? Согласно теории, Большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии. Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют во вспышке энергии, поэтому, если бы они были созданы в идеальном равновесии, Вселенная должна была бы быстро уничтожить себя.

И все же, мы здесь.

Чтобы разобраться в этой загадке, исследователи долго искали крошечные различия между материей и антиматерией. Команда BASE специализируется на сверхточных измерениях магнитного момента антипротона, свойства, которое действует как крошечный стержневой магнит, выровненный по спину частицы. Сравнение этого значения с протоном может выявить трещины в так называемой CPT-симметрии — идее о том, что законы физики одинаковы для частиц и античастиц.

До сих пор эти измерения не обнаружили различий. Но теперь, используя методы, обычно предназначенные для квантовых вычислений, команда BASE открыла новый путь: спектроскопию когерентного квантового перехода на одном захваченном спине антипротона.

50-секундный акт квантового равновесия

Чтобы создать кубит из антиматерии, исследователи поместили один антипротон внутрь криогенной ловушки Пеннинга, используя точно настроенные магнитные и электрические поля, чтобы удерживать его в изоляции. Затем они применили тщательно откалиброванный импульс радиочастотной энергии, чтобы поместить спин антипротона в суперпозицию — квантовое состояние, где он одновременно находится «вверху» и «внизу».

Это причудливое двойственное существование не длилось вечно. В конце концов, квантовое состояние рухнуло, когда наступила декогеренция. Но он длился невероятные 50 секунд, что является самым длинным когерентным квантовым состоянием, когда-либо наблюдавшимся в антиматерии.

«Это первый кубит из антиматерии и открывает перспективу применения всего набора методов когерентной спектроскопии к системам одиночной материи и антиматерии в прецизионных экспериментах», — сказал Стефан Ульмер, представитель BASE и физик из RIKEN и CERN.

Команда наблюдала отчетливые колебания Раби — периодические изменения в направлении вращения — поскольку они изменяли время движения. Эти колебания являются отличительной чертой хорошо работающего кубита и позволяют измерить магнитный момент с беспрецедентной точностью.

Согласно опубликованным результатам, прецизионная ловушка достигла ширины переходных линий в 16 раз уже, чем в предыдущих измерениях, с вероятностью инверсии спина до 80%.

Не для компьютеров — пока

В отличие от кремниевых кубитов, используемых в экспериментальных квантовых компьютерах, кубиты на основе антиматерии вряд ли найдут реальное применение в компьютерах в ближайшее время. Инженерные задачи огромны: создание, хранение и изоляция антиматерии требуют таких установок, как антипротонный замедлитель ЦЕРНа, и технологии, предотвращающие аннигиляцию материи-антиматерии.

«Использовать его не имеет смысла [the antimatter qubit] на данный момент для квантовых компьютеров», — сказала Барбара Латач, физик ЦЕРН и ведущий автор исследования. «Инженерия, связанная с производством и хранением антиматерии, намного сложнее, чем для обычной материи».

Тем не менее, теоретические выводы значительны. Если будущие эксперименты обнаружат какое-либо несоответствие между поведением материи и антиматерии — даже на квантовом уровне — это может стать ключом к разгадке дисбаланса во Вселенной. «Если вы просто изучаете физику, нет абсолютно никаких причин, почему материи должно быть больше, чем антиматерии», — объяснил Ульмер Сайентифик А .

Будущее исследований антиматерии

Текущий эксперимент проводился на ускорительном комплексе ЦЕРНа, который вводит флуктуирующие магнитные поля, которые могут нарушить чувствительные измерения. Вот почему следующий этап проекта включает в себя BASE-STEP (Симметрические тесты в экспериментах с портативными антипротонами), Транспортируемая система ловушек, предназначенная для доставки антипротонов в более тихие лаборатории.

«Как только она будет полностью введена в эксплуатацию, наша новая автономная прецизионная система ловушек Пеннинга, которая будет снабжаться антипротонами, транспортируемыми BASE-STEP, может позволить нам достичь времени спиновой когерентности, возможно, даже в десять раз дольше, чем в текущих экспериментах», — сказал Латач Space.com .

Такая установка может обеспечить от 10 до 100-кратного повышения точности при измерении магнитного момента антипротона. Цель состоит в том, чтобы достичь чувствительности в 10 частей на триллион — точности настолько высокой, что она может выявить тонкие асимметрии, скрытые под видимым балансом материи и антиматерии.

Субатомное зеркало

До сих пор каждый эксперимент по исследованию симметрии материи и антиматерии укреплял идею о том, что они почти неразличимы. Предыдущие измерения BASE показали, что магнитные моменты протонов и антипротонов совпадают с точностью до 1,5 частей на миллиард.

Но улучшенное разрешение когерентной спектроскопии вселяет надежду на прорыв.

Эта работа «может быть интересной для проведения в основном тех же вычислений с кубитами материи и кубитами антиматерии и сравнения результатов», — сказал Ульмер. Это сравнение может когда-нибудь указать на фундаментальную асимметрию, ответственную за дисбаланс, который сформировал космос.

И хотя кубит из антиматерии пока не поможет в создании варп-двигателей или квантовых компьютеров, он является мощным инструментом в другом поиске: понимании того, почему вообще существует Вселенная.

Даже если кубит антиматерии не разгадает загадку асимметрии сегодня, он приближает нас к тому дню, когда мы могли бы это сделать.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Природа.