Впервые ученым удалось создать кубит из антиматерии, что открывает путь к более точным исследованиям материи и антиматерии.
Ловушка антиматерии в AEgIS, один из экспериментов по изучению антиматерии с использованием замедлителя антипротонов ЦЕРН.
Максимилиан Брис и Жюльен Ордан/ЦЕРН
Ученые, работающие в рамках эксперимента по барионной антибарионной симметрии (BASE) в ЦЕРНе, совершили крупный прорыв в исследовании антиматерии, успешно продемонстрировав первый в мире квантовый бит антиматерии, также известный как кубит.
Сообщается, что исследовательской группе удалось удерживать антипротон (антиматериальный аналог протона) в состоянии плавных колебаний между двумя различными квантовыми состояниями в течение примерно 50 секунд, пока он находился в ловушке.
В ЦЕРНе сообщили, что это первый случай, когда удалось заставить одиночный захваченный антипротон перейти между квантовыми спиновыми состояниями контролируемым и непрерывным образом в течение почти минуты.
Ожидается, что результаты значительно улучшат точность сравнения материи и антиматерии и помогут объяснить, почему во Вселенной содержится гораздо больше материи, чем антиматерии.
Прорыв в области крошечных частиц
Антипротоны, имеющие такую же массу, как протоны, но отрицательный электрический заряд, являются стабильными, но короткоживущими частицами, которые ведут себя как крошечные стержневые магниты, выстраиваясь в одном из двух направлений в зависимости от своего квантового спина.
Теперь, используя метод, называемый когерентной квантовой переходной спектроскопией, команде BASE удалось заставить один антипротон действовать как квантовые качели, переключаясь между двумя спиновыми состояниями.
По словам ученых, столь точный контроль единого ядерного магнитного момента никогда ранее не удавался, что является выдающимся достижением как в исследовании антиматерии, так и в квантовой сенсорике.
Кредит: ЦЕРН
Стефан Ульмер, доктор философии, основатель и представитель коллаборации BASE, заявил, что полученные результаты открывают путь для применения методов когерентной спектроскопии к системам из одного вещества и антивещества в прецизионных экспериментах.
«Самое главное, это поможет BASE проводить измерения моментов антипротонов в будущих экспериментах с точностью, улучшенной в 10–100 раз», — продолжил Ульмер в пресс-релизе.
Квантовые спиновые состояния находятся в хрупком равновесии и легко нарушаются взаимодействием с окружающей средой в процессе, известном как декогеренция. Предыдущие измерения основывались на некогерентных методах, что делало их чрезвычайно чувствительными к шуму окружающей среды.
Переосмысление поведения частиц
Однако в текущем эксперименте команда BASE подавила флуктуации магнитного поля и другие источники помех, чтобы добиться когерентного управления спином антипротона.
Они сравнили эту концепцию с качанием ребёнка на качелях, при этом каждый толчок точно рассчитан по времени, чтобы поддерживать плавный ритм качания. Качели представляют собой одиночный захваченный антипротон, колеблющийся между состояниями со спином «вверх» и «вниз», в то время как электромагнитные импульсы управляют его движением с квантовой точностью.
Поскольку качели принадлежат квантовому миру, спин-кубит может даже указывать в нескольких направлениях одновременно, если его не наблюдать.
Чтобы добиться точного контроля, группа сначала поместила антипротоны в электромагнитные ловушки Пеннинга, а затем по отдельности перенесла их во вторую систему с несколькими ловушками, предназначенную для управления и измерения их спиновых состояний.
Затем учёные подавили и устранили механизмы декогеренции, добившись первой в истории когерентной спектроскопии спина антипротона. Они поддерживали это состояние в течение 50 секунд — периода, известного как время спиновой когерентности.
В то время как кубиты обеспечивают работу квантовых компьютеров, кубит антиматерии в ближайшее время не будет использоваться в вычислительной технике. Его потенциал заключается в проверке фундаментальных физических законов, таких как симметрия заряда-чётности-времени (CPT), которая заключается в идее о том, что материя и антиматерия ведут себя одинаково. Любое отклонение может указывать на новую физику за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц.
Команда BASE теперь планирует расширить свою работу с BASE-STEP, системой, предназначенной для транспортировки антипротонов в малошумные среды. По словам Барбары Латач, доктора философии, научного сотрудника ЦЕРН и ведущего автора статьи, это может ещё больше увеличить время когерентности, потенциально до 500 секунд.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Sourse: interestingengineering.com
