反物质量子比特首次演示，宇宙物质谜题掀开一角

IT之家 7 月 25 日消息，欧洲核子研究中心（CERN）宣布其重子反重子对称性实验（BASE）合作组首次用反质子制作出反物质量子比特，并将其保持在量子叠加态长达 50 秒，刷新纪录。

相关成果已于 23 日发表在《自然》上，这一里程碑式成就为更精准地测试普通物质与反物质的差异、解开宇宙中物质为何占主导地位的谜题开辟了新路径。

IT之家注：反质子是质子的反物质对应粒子，质量相同但电荷相反。它们就像微小的条形磁铁，可以因量子自旋的不同朝向“上”或“下”两个方向。

在上述过程中，科学家首次让一个反质子在量子“自旋上”与“自旋下”状态之间持续稳定地振荡了近一分钟。这标志着首个反物质量子比特的诞生，是反物质研究领域取得的一次重大突破。

▲ 物理学家芭芭拉・拉塔奇在 BASE 实验中工作。图源：CERN 官网

BASE 合作组的核心目标是测量反质子的磁矩 —— 即反质子与磁场相互作用的强度。此次实现的反物质量子比特，并非为了量子计算，而是为了探索一个困扰物理学界已久的问题：大爆炸时正反物质应等量产生，但为何我们的宇宙几乎全由普通物质主导？

在物理学中，正反物质的镜像属性被称为电荷 — 宇称 — 时间（CPT）对称性。该对称性认为，物质与反物质应遵循相同的物理定律，然而科学家观察到的宇宙却几乎完全由物质构成，这与理论存在明显矛盾。

相干量子跃迁此前已在大量粒子集合和束缚离子中观察到，但还从未在一个自由的、具备核磁矩的单一粒子上实现过，尽管这种粒子在物理学教科书中频频出现。现在，团队在 CERN 的反物质工厂中首次做到了这一点。

BASE 之前的实验已达到十亿分之一的精度，证实质子与反质子的磁矩完全一致。这意味着更多的对称性，并未解决宇宙物质主导的问题。

由于正反物质接触会瞬间湮灭（转化为伽马射线光子），BASE 需用彭宁陷阱（一种利用电场和磁场的精确布置来束缚带电粒子的装置）将反质子与普通物质隔离开。

他们采用相干量子跃迁光谱技术，让一个被困于电磁阱中的单个反质子在两个自旋态之间来回跃迁，并保持量子相干状态长达 50 秒。这一“相干时间”创下了反物质研究中的新纪录。

在量子力学中，粒子天生处于“叠加态”—— 即同时拥有所有可能的量子状态，直到测量导致其波函数坍塌（IT之家注：类似薛定谔的猫）。

量子自旋是粒子的一种基本属性（并非实际旋转，否则速度会超过光速），质子和反质子的自旋可为 1/2 或-1/2，正是自旋产生了粒子的磁矩。通过精密陷阱给反质子注入适量能量，科学家让其自旋同时处于 1/2 和-1/2 的叠加态，从而制作出反物质量子比特。

团队将这一过程形象地比作“推秋千”：在恰当时机给予粒子适度“推动”，便可使其在两个状态间以节奏均匀、连贯的方式来回摆动。不同于传统的非相干测量方法，该实验显著抑制了磁场波动和环境干扰带来的“量子退相干”效应，使得反质子的量子态得以保持更久，从而实现了更加稳定和精准的测量。

“这是首个反物质量子比特，为在精密实验中将整套相干光谱方法应用于单个正物质和反物质系统开辟了前景，”BASE 发言人、日本理化学研究所（RIKEN）高级科学研究所的斯特凡・乌尔默（Stefan Ulmer）表示，“最重要的是，它将帮助 BASE 在未来实验中以 10 到 100 倍的精度改进反质子磁矩测量。”