Здійснивши прорив у дослідженнях антиматерії, колаборація BASE у ЦЕРНу досягла утримання антипротона – антиматеріального аналога протона, – що плавно коливався між двома різними квантовими станами, перебуваючи у пастці протягом майже хвилини. Це досягнення, про яке повідомляється в статті, опублікованій в журналі Nature, знаменує собою першу демонстрацію квантового біта антиматерії, або кубіту, і відкриває шлях до більш точного порівняння поведінки матерії та антиматерії.
Такі частинки, як антипротон, що має ту ж масу, але протилежний електричний заряд, що і протон, поводяться як мініатюрні стрижневі магніти, які можуть вказувати в одному з двох напрямків залежно від їх квантово-механічного спіну.
Вимірювання того, як ці так звані магнітні моменти перевертаються, за допомогою методу, який називається когерентною квантовою перехідною спектроскопією, є потужним інструментом у галузі квантових вимірювань та обробки інформації. Воно також дозволяє проводити високоточні перевірки фундаментальних законів природи, включаючи симетрію заряду, парності та часу. Ця симетрія свідчить, що матерія та антиматерія поводяться ідентично, що суперечить спостереженню, за яким матерія значно перевершує антиматерію у Всесвіті.
Частинки мають квантові характеристики, що суперечать нашому здоровому глузду, наприклад, здатністю інтерферувати самі з собою, що продемонстровано в експерименті з двома щілинами. Взаємодія з навколишнім середовищем може швидко придушити ці інтерференційні ефекти шляхом процесу, відомого як квантова декогеренція. Збереження когерентності необхідне для контролю та відстеженню еволюції квантових систем, наприклад, переходів між спіновими станами одного антипротону.
Хоча когерентні квантові переходи раніше спостерігалися у великих скупченнях частинок і захоплених іонах, вони ніколи не спостерігалися для окремого вільного ядерного магнітного моменту, попри те, що останній посідає чільне місце в підручниках фізики. Колаборація BASE досягла цього на фабриці антиматерії у ЦЕРНі.
У певному сенсі це досягнення можна порівняти з розгойдуванням дитини на гойдалках на дитячому майданчику. При правильному поштовху гойдалки гойдаються туди-сюди в ідеальному ритмі. Тепер уявіть, що гойдалка - це один захоплений антипротон, що коливається між станами спіну "вгору" і "вниз" у плавному, контрольованому ритмі. Колаборація BASE досягла цього, використовуючи складну систему електромагнітних пасток, яка дає антипротону потрібний «поштовх» у потрібний момент. А оскільки ці гойдалки мають квантові властивості, спін-кубіт антиматерії може навіть вказувати в різних напрямках одночасно, бувши непоміченим.
Експеримент BASE вивчає антипротони, вироблені на фабриці антиматерії в ЦЕРНі, поміщаючи їх в електромагнітні пастки Пеннінга і по одному подаючи до другої системи з декількома пастками, щоб, крім іншого, вимірювати та змінювати їх спінові стани. Використовуючи цю установку, колаборація BASE раніше спромоглася показати, що величини магнітних моментів протона та антипротону ідентичні з точністю до кількох частин на мільярд. Будь-яка невелика відмінність у тих величинах порушила б симетрію заряду, парності й часу і вказала б на нову фізику поза Стандартної моделі фізики елементарних частинок.
Однак цей попередній результат був заснований на методі некогерентної спектроскопії, в якому квантові переходи порушувалися флуктуаціями магнітного поля та перешкод вимірювання. У ході суттєвої модернізації експерименту ці механізми декогеренції були пригнічені та усунуті, що призвело до першої когерентної спектроскопії спіну антипротона. Групі BASE вдалося досягти цього протягом періоду, що називається часом спінової когерентності, що дорівнює 50 секунд.
"Це перший кубіт антиматерії, і це відкриває перспективу застосування всього набору методів когерентної спектроскопії до систем одиничної матерії та антиматерії у прецизійних експериментах", - пояснює представник BASE Стефан Ульмер. «Що найважливіше, це допоможе BASE проводити вимірювання моментів антипротонів у майбутніх експериментах з точністю, яка перевищує точність у 10–100 разів».
Хоча кубіти є основними будівельними блоками квантових комп'ютерів, дозволяючи зберігати інформацію не тільки в одному з двох станів, а й за допомогою потенційно безмежної суперпозиції цих станів, кубіт антиматерії, продемонстрований BASE, навряд чи знайде негайне застосування за межами фундаментальної фізики.
Ще більший стрибок у точних вимірах антипротонів буде здійснюватися при використанні системи BASE-STEP, яка була розроблена для транспортування захоплених античастинок дорогами в магнітному середовищі, більш «спокійним», ніж фабрика антиматерії. «Після повного запуску нашої нової автономної прецизійної системи пасток Пеннінга, яка постачатиметься антипротонами, що транспортуються BASE-STEP, ми зможемо досягти часу спінової когерентності, можливо, навіть у десять разів більшого, ніж у поточних експериментах, що стане переломним моментом у дослідженні баріонної антиматерії» - каже провідний автор дослідження Барбара Латач.
