反物質量子比特首次演示

科技日報北京7月24日電 （記者張佳欣）歐洲核子研究中心（CERN）的BASE合作組23日在《自然》雜誌上發表了一項突破性成果：首次讓一個反質子在量子“自旋上”與“自旋下”狀態之間持續穩定地振盪了近一分鐘。這標誌着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，為更精準地比較物質與反物質的行為差異開闢了新路徑。

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。科學家可利用“相干量子躍遷光譜”技術，測量這些所謂“磁矩”翻轉的方式。這項技術不僅在量子傳感和量子信息處理中具有重要作用，也為檢驗自然界基本法則提供了精密工具，特別是電荷—宇稱—時間（CPT）對稱性。這種對稱性規定，物質與反物質在所有物理行為上應完全一致，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。

目前，相干量子躍遷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過，儘管這種粒子在物理學教科書中頻頻出現。現在，團隊在CERN的反物質工廠中首次做到了這一點。他們採用相干量子躍遷光譜技術，讓一個被困於電磁阱中的單個反質子在兩個自旋態之間來回躍遷，並保持量子相干狀態長達50秒。這一“相干時間”創下了反物質研究中的新紀錄。

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

BASE合作組發言人斯特凡·烏爾默表示，這是人類首次實現反物質量子比特，為今後在單個物質和反物質粒子上開展更精準的相干光譜實驗奠定了基礎。最重要的是，這將使研究人員在未來實驗中測量反質子磁矩的精度提高10至100倍。

【總編輯圈點】

科學家第一次成功地在一個反質子上實現了穩定的量子狀態切換，並保持了將近一分鐘。這聽起來可能很抽象，但其實意義非常大。反質子這個“小磁鐵”有兩個狀態。科學家用一種精密技術，讓它在這兩個狀態之間來回穩定地切換——就像在操控一個“反物質量子開關”。這不但能更精確地研究反物質的性質，看看它和普通物質到底是不是完全一樣，還能進一步深入地探索宇宙之謎，也對量子計算、高精度測量等技術有重要推動作用。