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IT之家7月25日消息，歐洲核子研究中心（CERN）宣布其重子反重子對(duì)稱性實(shí)驗(yàn)（BASE）合作組首次用反質(zhì)子制作出反物質(zhì)量子比特，并將其保持在量子疊加態(tài)長達(dá)50秒，刷新紀(jì)錄。

相關(guān)成果已于23日發(fā)表在《自然》上，這一里程碑式成就為更精準(zhǔn)地測(cè)試普通物質(zhì)與反物質(zhì)的差異、解開宇宙中物質(zhì)為何占主導(dǎo)地位的謎題開辟了新路徑。

IT之家注：反質(zhì)子是質(zhì)子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)粒子，質(zhì)量相同但電荷相反。它們就像微小的條形磁鐵，可以因量子自旋的不同朝向“上”或“下”兩個(gè)方向。

在上述過程中，科學(xué)家首次讓一個(gè)反質(zhì)子在量子“自旋上”與“自旋下”狀態(tài)之間持續(xù)穩(wěn)定地振蕩了近一分鐘。這標(biāo)志著首個(gè)反物質(zhì)量子比特的誕生，是反物質(zhì)研究領(lǐng)域取得的一次重大突破。

▲物理學(xué)家芭芭拉?拉塔奇在BASE實(shí)驗(yàn)中工作。圖源：CERN官網(wǎng)

BASE合作組的核心目標(biāo)是測(cè)量反質(zhì)子的磁矩——即反質(zhì)子與磁場(chǎng)相互作用的強(qiáng)度。此次實(shí)現(xiàn)的反物質(zhì)量子比特，并非為了量子計(jì)算，而是為了探索一個(gè)困擾物理學(xué)界已久的問題：大爆炸時(shí)正反物質(zhì)應(yīng)等量產(chǎn)生，但為何我們的宇宙幾乎全由普通物質(zhì)主導(dǎo)？

在物理學(xué)中，正反物質(zhì)的鏡像屬性被稱為電荷—宇稱—時(shí)間（CPT）對(duì)稱性。該對(duì)稱性認(rèn)為，物質(zhì)與反物質(zhì)應(yīng)遵循相同的物理定律，然而科學(xué)家觀察到的宇宙卻幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成，這與理論存在明顯矛盾。

相干量子躍遷此前已在大量粒子集合和束縛離子中觀察到，但還從未在一個(gè)自由的、具備核磁矩的單一粒子上實(shí)現(xiàn)過，盡管這種粒子在物理學(xué)教科書中頻頻出現(xiàn)?，F(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)在CERN的反物質(zhì)工廠中首次做到了這一點(diǎn)。

BASE之前的實(shí)驗(yàn)已達(dá)到十億分之一的精度，證實(shí)質(zhì)子與反質(zhì)子的磁矩完全一致。這意味著更多的對(duì)稱性，并未解決宇宙物質(zhì)主導(dǎo)的問題。

由于正反物質(zhì)接觸會(huì)瞬間湮滅（轉(zhuǎn)化為伽馬射線光子），BASE需用彭寧陷阱（一種利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)的精確布置來束縛帶電粒子的裝置）將反質(zhì)子與普通物質(zhì)隔離開。

他們采用相干量子躍遷光譜技術(shù)，讓一個(gè)被困于電磁阱中的單個(gè)反質(zhì)子在兩個(gè)自旋態(tài)之間來回躍遷，并保持量子相干狀態(tài)長達(dá)50秒。這一“相干時(shí)間”創(chuàng)下了反物質(zhì)研究中的新紀(jì)錄。

在量子力學(xué)中，粒子天生處于“疊加態(tài)”——即同時(shí)擁有所有可能的量子狀態(tài)，直到測(cè)量導(dǎo)致其波函數(shù)坍塌（IT之家注：類似薛定諤的貓）。

量子自旋是粒子的一種基本屬性（并非實(shí)際旋轉(zhuǎn)，否則速度會(huì)超過光速），質(zhì)子和反質(zhì)子的自旋可為1/2或-1/2，正是自旋產(chǎn)生了粒子的磁矩。通過精密陷阱給反質(zhì)子注入適量能量，科學(xué)家讓其自旋同時(shí)處于1/2和-1/2的疊加態(tài)，從而制作出反物質(zhì)量子比特。

團(tuán)隊(duì)將這一過程形象地比作“推秋千”：在恰當(dāng)時(shí)機(jī)給予粒子適度“推動(dòng)”，便可使其在兩個(gè)狀態(tài)間以節(jié)奏均勻、連貫的方式來回?cái)[動(dòng)。不同于傳統(tǒng)的非相干測(cè)量方法，該實(shí)驗(yàn)顯著抑制了磁場(chǎng)波動(dòng)和環(huán)境干擾帶來的“量子退相干”效應(yīng)，使得反質(zhì)子的量子態(tài)得以保持更久，從而實(shí)現(xiàn)了更加穩(wěn)定和精準(zhǔn)的測(cè)量。

“這是首個(gè)反物質(zhì)量子比特，為在精密實(shí)驗(yàn)中將整套相干光譜方法應(yīng)用于單個(gè)正物質(zhì)和反物質(zhì)系統(tǒng)開辟了前景，”BASE發(fā)言人、日本理化學(xué)研究所（RIKEN）高級(jí)科學(xué)研究所的斯特凡?烏爾默（StefanUlmer）表示，“最重要的是，它將幫助BASE在未來實(shí)驗(yàn)中以10到100倍的精度改進(jìn)反質(zhì)子磁矩測(cè)量。”

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