Ученые впервые создали кубит антиматерии — это поможет понять, почему вокруг нас только обычное вещество

Группа ученых из CERN, работающая в рамках проекта BASE с материей и антиматерией, впервые в мире создала кубит из антивещества.

Отмечается, что исследователям впервые удалось удерживать антипротон в состоянии плавных колебаний между двумя различными квантовыми состояниями в течение около 50 секунд. Ожидается, что эти результаты значительно улучшат точность сравнения материи и антиматерии и помогут объяснить, почему материя преобладает над антиматерией во Вселенной.

Антипротоны имеют такую же массу, как и протоны, однако у них отрицательный заряд. Это стабильные частицы, которые существуют крайне недолго. Они ведут себя как крошечные стержневые магниты, выстраиваясь в одном из двух направлений в зависимости от квантового спина.

В физике зеркальное отражение свойств материи и антиматерии называется симметрией заряда-парности-времени (CPT). CPT-симетрия также утверждает, что частица и ее античастица должны подчиняться законам физики одинаково, то есть они должны испытывать гравитацию или электромагнетизм с одинаковой силой.

Теоретически, после возникновения Вселенной, вероятность образования антиматерии или обычных частиц материи должна была быть 50/50. Но по какой-то причине этого не произошло.

Используя метод когерентной квантовой переходной спектроскопии физикам из проекта BASE удалось заставить один антипротон переключаться между двумя спиновыми состояниями. По словам ученых, такой точный контроль единого ядерного магнитного момента никогда ранее не удавался, что является выдающимся достижением как в исследовании антиматерии, так и в квантовой сенсорике.

По словам основателя и руководителя BASE, доктора Стефана Ульмера, полученные результаты открывают путь для применения методов когерентной спектроскопии к системам из одного вещества и антивещества в прецизионных экспериментах. Это поможет BASE проводить измерения моментов антипротонов в будущих экспериментах с точностью, улучшенной в 10-100 раз.

Квантовые спиновые состояния находятся в хрупком равновесии, которое легко нарушается взаимодействием с окружающей средой в процессе, называемом декогеренцией. Предыдущие измерения основывались на некогерентных методах, что делало их чрезвычайно чувствительными к помехам из внешней среды.

В этом эксперименте физики из BASE подавляли колебания магнитного поля и другие источники помех для возможности когерентного управления спином антипротона. Ученые сравнили это с качанием ребенка на качелях, где каждый толчок точно рассчитан во времени для поддержания плавного ритма. 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.

Для более точного контроля ученые использовали ловушки Пеннинга, где содержались антипротоны. Затем каждый антипротон отдельно переносился во вторую систему из нескольких ловушек, предназначенную для управления и измерения спиновых состояний античастиц.

Ученые подавили механизмы декогеренции и впервые в истории добились когерентной спектроскопии спина антипротона. Им удалось поддерживать это состояние в течение 50 секунд.

Кубиты из антиматерии в отличие от традиционных кубитов, используемых в квантовых компьютерах, очень перспективны в проверке фундаментальных физических законов, таких как симметрия заряда-парности-времени (CPT), которая заключается в идее о том, что материя и антиматерия ведут себя одинаково. В частности, это поможет исследовать вопрос, почему мы живем во Вселенной, где доминирует обычная материя, когда материя и антиматерия должны были появиться в равных количествах во время Большого взрыва.

Команда BASE теперь планирует расширить свою работу с BASE-STEP, системой, предназначенной для транспортировки антипротонов в малошумные среды. Это может увеличить время когерентности, потенциально до 500 секунд.