Коллаборационная группа BASE в ЦЕРН объявила, что они впервые успешно подготовили и манипулировали «кубитом антиматерии», добившись беспрецедентных квантовых точных измерений на одном антипротоне. Этот результат был опубликован в журнале Nature. В ходе эксперимента команда поймала в устройстве один антипротон и позволила его вращению плавно переключаться между двумя квантовыми состояниями в течение почти минуты, открыв новый путь для сравнения поведения материи и антиматерии с чрезвычайно высокой точностью.
Антипротоны — это аналог протонов из антивещества. Они имеют одинаковую массу, но противоположные заряды. Они также обладают свойствами вращения, подобными свойствам крошечных магнитов. Направление вращения может принимать только одно из двух состояний. Наблюдение спиновых состояний и их переходных процессов имеет решающее значение для квантового зондирования, сверхточных измерений и проверки того, действительно ли материя и антиматерия «симметричны» в соответствии с законами физики, включая основной принцип физики элементарных частиц — симметрию CPT. Согласно стандартной модели, частицы и античастицы должны иметь одинаковую массу и время жизни. Основное различие отражается только в свойствах, связанных с зарядом. Поэтому сравнение протонов и антипротонов по пунктам с чрезвычайно высокой точностью является одним из основных способов проверки этой теории.
Чтобы реализовать этот эксперимент, исследователи использовали технологию под названием «спектроскопия когерентного квантового перехода», чтобы точно измерить изменения между спиновыми состояниями, минимизируя при этом влияние шума окружающей среды. Эта технология широко используется в метрологии, квантовой обработке информации, магнитных измерениях и прецизионном тестировании Стандартной модели. В предыдущих экспериментах с протонами и дейтронами он достиг измерений мазерной спектроскопии с высоким разрешением ниже уровня одной части на триллион.
Раньше такие спектроскопические эксперименты в основном полагались на «статистику масс частиц», но на этот раз команда BASE совершила прорыв в применении этого метода к «одиночным свободным ядерным спинам». В низкотемпературной ловушке Пеннинга исследователи сначала измерили спиновое состояние антипротонов с помощью непрерывного эффекта Штерна-Герлаха, а затем перенесли их в прецизионную ловушку с высокостабильным магнитным полем. Они использовали измерения квантовой проекции для генерации и анализа когерентного квантового поведения антипротонов.
В эксперименте также впервые четко наблюдалось явление осцилляций Раби в спиновой системе антипротонов. Так называемые осцилляции Раби — это процесс, в котором квантовая система периодически переходит между двумя энергетическими уровнями, управляемыми внешним резонансным электромагнитным полем. Его частота (частота Раби) зависит от интенсивности взаимодействия. Этот эффект является фундаментальным инструментом в квантовых вычислениях, магнитном резонансе и атомной физике, поскольку он позволяет исследователям точно манипулировать квантовыми состояниями атомов, ионов и кубитов.
В измерениях временных рядов команда достигла вероятности переворота вращения более 80% и времени когерентности вращения примерно 50 секунд. В одночастичном тесте спинового резонанса вероятность переворота спина превысила 70%, а ширина линии перехода была в 16 раз уже, чем в предыдущих аналогичных экспериментах, что значительно улучшило точность измерений; ограничивающим фактором в основном был эффект декогеренции, связанный с измерением циклотронной частоты. Коллаборация BASE ранее продемонстрировала, что магнитные моменты протонов и антипротонов очень согласованы с точностью до нескольких частей на миллиард, что указывает на то, что они почти полностью симметричны по своим магнитным свойствам. Руководитель проекта Стефан Ульмер заявил, что в будущем с помощью этого нового метода ожидается повышение точности измерения магнитного момента антипротонов еще в 10–100 раз.
Хотя термин «кубит» часто ассоциируется с квантовыми вычислениями, исследователи отметили, что кубит антивещества, достигнутый на этот раз, не будет напрямую использоваться в инженерных или вычислительных технологиях в краткосрочной перспективе. Ее реальная научная ценность заключается в том, что она дает физикам беспрецедентную точность и средства для изучения свойств антиматерии в фундаментальном масштабе и проведения более строгих сравнений с обычной материей, предоставляя важные подсказки, объясняющие, почему во Вселенной почти полностью доминирует материя, в то время как нематерия и антиматерия сосуществуют в равной мере.
Барбара Рэттаж, первый автор статьи, рассказала, что команда нацелилась на следующий этап проекта BASE-STEP — систему, предназначенную для переноса антипротонов, захваченных в ловушку, в более спокойную среду с магнитным полем. Теоретически это увеличит время спиновой когерентности примерно на порядок, что имеет ключевое значение для дальнейшего изучения барионной антиматерии. Исследовательская группа считает, что, объединив передовые технологии квантовых манипуляций с чрезвычайно высокоточным экспериментальным оборудованием, человечество вступило в новую эру прецизионных измерений в области исследования антиматерии и приблизилось к раскрытию основных причин асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.
узнать больше:
ЦЕРН, журнал Nature