Ученые из коллаборации BASE в ЦЕРНе совершили крупный прорыв в исследованиях антиматерии, создав первый квантовый бит антиматерии, или кубит. В статье, опубликованной в журнале Nature, команда объяснила, как им удалось удерживать один антипротон, плавно переключающийся между двумя квантовыми спиновыми состояниями в течение почти минуты, пока он находился в ловушке.
Антипротон — это версия протона из антиматерии. Он обладает такой же массой, как и протон, но противоположным электрическим зарядом. Подобно крошечным магнитам, антипротоны имеют свойство, называемое спином, который может быть направлен в одну из двух сторон. Наблюдение за изменением этих спинов важно для квантового зондирования и проведения чрезвычайно точных измерений. Это также помогает ученым проверить, действительно ли материя и антиматерия ведут себя одинаково в соответствии с законами физики, включая принцип, известный как CPT-симметрия.
CPT-симметрия — это фундаментальный принцип физики элементарных частиц, утверждающий, что законы физики остаются неизменными, если одновременно происходят три преобразования: обращение заряда (C), пространственная инверсия, или инверсия четности (P), и обращение времени (T). Стандартная модель предсказывает, что частицы и античастицы должны иметь идентичные массы и время жизни, различаясь в основном свойствами, связанными с зарядом. Эксперименты в ЦЕРНе проверяют CPT-симметрию путем сравнения материи и антиматерии с чрезвычайной точностью.
Для проведения эксперимента исследователи использовали метод, называемый когерентной квантовой спектроскопией переходов. Этот метод позволяет изучать изменения между спиновыми состояниями, уменьшая при этом помехи от внешнего шума. Тот же метод уже применяется в таких областях, как метрология, квантовая обработка информации, магнитометрия и точные тесты Стандартной модели. Предыдущие эксперименты с протонами и дейтронами с использованием этого подхода позволили получить измерения мазерной спектроскопии с разрешением до долей части на триллион.
В прошлом такой вид спектроскопии обычно проводился с использованием больших групп частиц. Команде BASE удалось сделать это всего с одним свободным ядерным спином. Используя криогенную систему ловушки Пеннинга, исследователи сначала измерили спиновое состояние антипротона посредством непрерывного эффекта Штерна — Герлаха. Затем они переместили частицу в прецизионную ловушку с очень стабильным магнитным полем, где создали и изучили ее когерентное квантовое поведение с помощью измерений квантовой проекции.
Впервые команда также наблюдала осцилляции Раби в спине антипротона. Осцилляции Раби — это периодические переходы квантовой системы между двумя энергетическими состояниями при воздействии на нее переменным электромагнитным полем на резонансной частоте или вблизи нее. Частота осцилляций, называемая частотой Раби, зависит от силы взаимодействия. Этот эффект является центральным для квантовых вычислений, магнитного резонанса и атомной физики, поскольку он обеспечивает точный контроль квантовых состояний в атомах, ионах и кубитах.
В измерениях временных рядов они достигли вероятностей инверсии спина выше 80% при времени спиновой когерентности около 50 секунд. Тесты резонансов спина отдельной частицы показали инверсии выше 70%, при этом ширины линий перехода были в 16 раз уже, чем в предыдущих измерениях. Основным ограничением было затухание, связанное с измерениями циклотронной частоты.
Коллаборация BASE уже продемонстрировала в предыдущих работах, что магнитные моменты протонов и антипротонов совпадают с точностью до нескольких частей на миллиард. По словам Штефана Ульмера, будущие эксперименты могут улучшить точность измерений магнитного момента антипротона «в 10–100 раз».
Хотя кубиты наиболее известны как базовые единицы квантовых компьютеров, не ожидается, что этот кубит из антиматерии приведет к немедленным технологическим применениям. Его истинная важность заключается в том, чтобы помочь ученым изучать антиматерию в гораздо больших подробностях и более точно сравнивать ее с обычной материей.
Ведущий автор Барбара Латач заявила, что команда также нацелена на BASE-STEP — систему, предназначенную для транспортировки захваченных антипротонов в более тихие магнитные среды. Это может увеличить время спиновой когерентности в десять раз по сравнению с текущими экспериментами, что станет серьезным шагом вперед для исследований барионной антиматерии.
Сочетая передовые методы квантового управления с высокоточными измерениями, коллаборация BASE вывела исследования антиматерии на новую территорию и приблизила ученых к пониманию того, почему во Вселенной, по-видимому, содержится гораздо больше материи, чем антиматерии.
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать права.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
