В ЦЕРНе получен первый кубит антиматерии
Физиком коллаборации BASE в ЦЕРНе удалось удерживать антипротон в состоянии плавных квантовых колебаний между двумя состояниями почти минуту, пока он находился в ловушке. Этот экспериментальный прорыв, описанный в журнале Nature, стал первой демонстрацией кубита антиматерии.
Частицы, такие как антипротон (имеющий ту же массу, что и протон, но противоположный по заряду), ведут себя как миниатюрные магниты, которые могут быть ориентированы в одном из двух направлений в зависимости от их квантового спина.
Измерение переворотов этих так называемых магнитных моментов методом когерентной квантовой переходной спектроскопии — мощный инструмент квантовой сенсорики и обработки информации. Оно также позволяет проводить высокоточные проверки фундаментальных законов природы, включая CPT-симметрию (симметрию заряда-четности-времени). Согласно этой теореме, материя и антиматерия должны вести себя одинаково, что противоречит наблюдениям — мы видим, что вещества во Вселенной намного больше, чем антивещества.
Частицы обладают квантовыми свойствами, которые противоречат здравому смыслу — например, способностью интерферировать сами с собой, как показывает эксперимент с двумя щелями. Однако взаимодействие с окружающей средой может быстро подавлять эти эффекты интерференции из-за процесса, называемого квантовой декогеренцией. Сохранение когерентности критически важно для управления и отслеживания эволюции квантовых систем, таких как переходы между спиновыми состояниями одиночного антипротона.
Хотя когерентные квантовые переходы ранее наблюдались в больших ансамблях частиц и у захваченных ионов, их никогда не получалось зафиксировать для одиночного свободного ядерного магнитного момента — несмотря на то, что этот эффект часто упоминается в учебниках по физике. Коллаборации BASE впервые удалось достичь этого на фабрике антиматерии ЦЕРНа.
В некотором смысле этот эксперимент можно сравнить с раскачиванием ребенка на качелях. При правильном толчке качели движутся вперед и назад в идеальном ритме. Теперь представьте, что качели — это одиночный антипротон в ловушке, меняющий спиновые состояния «вверх» и «вниз» в плавном, контролируемом ритме. Коллаборация BASE добилась этого, используя сложную систему электромагнитных ловушек, чтобы дать антипротону нужный «толчок» в нужный момент. А поскольку эти «качели» квантовые, у кубита антиматерии могут быть оба спина одновременно, пока за ним не наблюдают.
Эксперимент BASE изучает антипротоны, создаваемые на фабрике антиматерии ЦЕРНа, удерживая их в электромагнитных ловушках Пеннинга и последовательно перемещая в другую систему ловушек для измерения и изменения их спиновых состояний. Ранее с помощью этой установки удалось показать, что величины магнитных моментов протона и антипротона идентичны с точностью до нескольких миллиардных долей. Любое, даже малейшее различие нарушило бы CPT-симметрию и указало бы на новую физику за пределами Стандартной модели.
Однако предыдущий результат основывался на некогерентной спектроскопии, где квантовые переходы искажались флуктуациями магнитного поля и помехами измерений. В результате масштабной модернизации эксперимента эффекты декогеренции были подавлены, что позволило впервые провести когерентную спектроскопию спинов антипротона. Такое состояние — так называемое время спиновой когерентности — ученым удалось сохранять в течение 50 секунд.
«Это первый кубит антиматерии, который открывает перспективу применения всего арсенала методов когерентной спектроскопии к единичным системам материи и антиматерии в прецизионных экспериментах, — доволен профессор Штефан Ульмер. — Самое главное, это позволит BASE в будущем измерять магнитный момент антипротона с точностью, повышенной в 10–100 раз».
Широкой публике кубиты известны как основа квантовых компьютеров, где информация может храниться не только в одном из двух состояний, но и в их суперпозиции. Но полученный в ЦЕРНе кубит антиматерии вряд ли найдет применение за пределами фундаментальной физики в ближайшее время.
Больший скачок в точности измерений обещает система транспортировки антиматерии BASE-STEP, которая позволяет переносить захваченные античастицы в более «спокойные» магнитные условия, чем на фабрике антиматерии.
«Когда система заработает в полную силу, наша новая автономная ловушка Пеннинга, куда антипротоны будут доставляться с помощью BASE-STEP, может увеличить время спиновой когерентности, возможно, даже в 10 раз по сравнению с текущими экспериментами. Это станет переломным моментом в исследованиях барионной антиматерии», — надеется ведущий автор статьи Барбара Латач.