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稱性實驗（BASE）合作組首次用反質子制作出反物質量子比特，并將其保持在量子疊加態(tài)長達50秒，刷新紀錄。

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

IT之家注：反質子是質子的反物質對應粒子，質量相同但電荷相反。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”兩個方向。

在上述過程中，科學家首次讓一個反質子在量子“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。這標志著首個反物質量子比特的誕生，是反物質研究領域取得的一次重大突破。

▲物理學家芭芭拉?拉塔奇在BASE實驗中工作。圖源：CERN官網

BASE合作組的核心目標是測量反質子的磁矩——即反質子與磁場相互作用的強度。此次實現(xiàn)的反物質量子比特，并非為了量子計算，而是為了探索一個困擾物理學界已久的問題：大爆炸時正反物質應等量產生，但為何我們的宇宙幾乎全由普通物質主導？

在物理學中，正反物質的鏡像屬性被稱為電荷—宇稱—時間（CPT）對稱性。該對稱性認為，物質與反物質應遵循相同的物理定律，然而科學家觀察到的宇宙卻幾乎完全由物質構成，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，但還從未在一個自由的、具備核磁矩的單一粒子上實現(xiàn)過，盡管這種粒子在物理學教科書中頻頻出現(xiàn)?，F(xiàn)在，團隊在CERN的反物質工廠中首次做到了這一點。

BASE之前的實驗已達到十億分之一的精度，證實質子與反質子的磁矩完全一致。這意味著更多的對稱性，并未解決宇宙物質主導的問題。

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

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

在量子力學中，粒子天生處于“疊加態(tài)”——即同時擁有所有可能的量子狀態(tài)，直到測量導致其波函數(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（并非實際旋轉，否則速度會超過光速），質子和反質子的自旋可為1/2或-1/2，正是自旋產生了粒子的磁矩。通過精密陷阱給反質子注入適量能量，科學家讓其自旋同時處于1/2和-1/2的疊加態(tài)，從而制作出反物質量子比特。

團隊將這一過程形象地比作“推秋千”：在恰當時機給予粒子適度“推動”，便可使其在兩個狀態(tài)間以節(jié)奏均勻、連貫的方式來回擺動。不同于傳統(tǒng)的非相干測量方法，該實驗顯著抑制了磁場波動和環(huán)境干擾帶來的“量子退相干”效應，使得反質子的量子態(tài)得以保持更久，從而實現(xiàn)了更加穩(wěn)定和精準的測量。

“這是首個反物質量子比特，為在精密實驗中將整套相干光譜方法應用于單個正物質和反物質系統(tǒng)開辟了前景，”BASE發(fā)言人、日本理化學研究所（RIKEN）高級科學研究所的斯特凡?烏爾默（StefanUlmer）表示，“最重要的是，它將幫助BASE在未來實驗中以10到100倍的精度改進反質子磁矩測量?！?/p>