Група науковців з CERN, що працює у рамках проєкту BASE з матерією та антиматерією, вперше у світі створила кубіт з антиречовини.

Зазначається, що дослідникам вперше вдалось утримувати антипротон у стані плавних коливань між двома різними квантовими станами упродовж близько 50 секунд. Очікується, що ці результати значно покращать точність порівняння матерії та антиматерії і допоможуть пояснити, чому матерія переважає над антиматерією у Всесвіті.

Антипротони мають таку саму масу, як і протони, однак в них негативний заряд. Це стабільні частинки, що існують вкрай недовго. Вони поводяться як крихітні стрижневі магніти, вишикуючись в одному з двох напрямків в залежності від квантового спіну.

У фізиці дзеркальне відображення властивостей матерії та антиматерії називається симетрією заряду-парності-часу (CPT). CPT-симетрія також стверджує, що частка і її античастка повинні підкорятися законам фізики однаково, тобто вони повинні відчувати гравітацію або електромагнетизм з однаковою силою. 

Теоретично, після виникнення Всесвіту, ймовірність утворення антиматерії або звичайних частинок матерії мала бути 50/50. Але з якоїсь причини цього не сталося.

Використовуючи метод когерентної квантової перехідної спектроскопії фізикам з проєкту BASE вдалось змусити один антипротон перемикатись між двома спіновими станами. За словами вчених, такий точний контроль єдиного ядерного магнітного моменту ніколи раніше не вдавався, що є визначним досягненням як у дослідженні антиматерії, так і в квантовій сенсориці.

За словами засновника та керівника BASE, доктора Стефана Ульмера, отримані результати відкривають шлях для застосування методів когерентної спектроскопії до систем з однієї речовини та антиречовини у прецизійних експериментах. Це допоможе BASE проводити вимірювання моментів антипротонів у майбутніх експериментах з точністю, покращеною в 10–100 разів.

Квантові спінові стани перебувають у тендітній рівновазі, яка легко порушується взаємодією з навколишнім середовищем у процесі, що зветься декогеренцією. Попередні виміри ґрунтувалися на некогерентних методах, що робило їх надзвичайно чутливими до перешкод із зовнішнього середовища. 

У цьому експерименті фізики з BASE пригнічували коливання магнітного поля та інші джерела перешкод для змоги когерентного управління спіном антипротону. Науковці порівняли це з хитанням дитини на гойдалках, де кожен поштовх точно розрахований у часі для підтримки плавного ритму. Гойдалки є одиночним захопленим антипротоном, що коливається між станами зі спіном «вгору» і «вниз», тоді як електромагнітні імпульси керують його рухом з квантовою точністю.

Для більш точного контролю науковці використовували пастки Пеннінга, де утримувались антипротони. Потім кожен антипротон окремо переносився у другу систему з кількох пасток, призначену для керування та вимірювання спінових станів античастинок. 

Науковці придушили механізми декогеренції і вперше в історії домоглись когерентної спектроскопії спіна антипротону. Їм вдалось підтримувати цей стан протягом 50 секунд.

Кубіти з антиматерії на відміну від традиційних кубітів, що використовуються у квантових комп’ютерах, дуже перспективні у перевірці фундаментальних фізичних законів, таких як симетрія заряду-парності-часу (CPT), яка полягає в ідеї про те, що матерія та антиматерія поводяться однаково. Зокрема, це допоможе дослідити питання, чому ми живемо у Всесвіті, де домінує звичайна матерія, коли матерія та антиматерія мали з’явитися в рівних кількостях під час Великого вибуху.

Команда BASE тепер планує розширити свою роботу з BASE-STEP, системою, призначеною для транспортування антипротонів у малошумні середовища. Це може збільшити час когерентності, потенційно до 500 секунд.

 Результати дослідження опубліковані у журналі Nature

Джерело: Interesting Engineering