物理学界首次实现反物质量子比特

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大爆炸理论认为，宇宙从大约138亿年前的一场超级爆炸中诞生后，在初始阶段有着极高的能量密度和温度，而能量不断地成对产生粒子(物质)与反粒子(反物质)——这种对称性已经被实验验证，例如正电子与电子总是成对出现‌。

那么基于对称性作推演，随着宇宙膨胀、冷却，物质与反物质理应一同湮灭，只留下纯粹的能量。但现实与大多数理论预测相悖，如今宇宙中的物质远多于反物质。怎会如此？这成了物理学界的重大谜题之一。

科学家一直试图解释其成因及机制。最近，欧洲核子研究组织(CERN)在反物质领域取得重大突破，与此同时也将创新边界拓展至量子计算。

根据7月23日《自然》杂志发表的论文，CERN的重子、反重子对称性实验(BASE)项目首次实现反物质量子比特(antimatter qubit)的演示。

量子比特是量子计算机的最小信息单元。这里的反物质量子比特是质子的反物质对应体，即反质子，在实验中呈现了奇特的量子摇摆：反质子以完美节律在“上旋”与“下旋”状态之间往复振荡，持续了50秒。研究团队宣称，取得该成果的技术突破标志着人类对反物质认知的重大飞跃。

上图所示为欧洲核子研究组织实验项目中的反物质捕获系统AEgIS(Anti-Matter Encapsulation and Gravitational Isolation System)；此类实验利用CERN反质子减速器开展反物质研究

BASE实验团队应用了一种名为“相干量子跃迁光谱学”的技术，该技术能以超乎想象的精度测量粒子的磁矩，即粒子在磁场里的行为特征。团队首先从CERN的反物质工厂引入若干反质子，令其陷俘于彭宁阱，受特定磁场叠加状态的约束；接着，他们又在同一磁体内设置了第二个多级阱，提取单个反质子以对其自旋态作实时测量并调控。

量子态极为脆弱，极易受外界干扰。任何扰动都可能使系统瞬间趋于退相干，后果则是物理学家心心念念的宝贵信息无迹可寻。这种量子系统的固有缺陷正是BASE项目最关切的问题；早在2017年，他们就采用类似装置证实了质子与反质子具有几乎完全一致的磁矩。

量子领域的退相干是指量子系统因与环境相互作用而逐渐丧失量子相干性，最终表现出经典行为。量子相干性指量子系统保持不同量子态间相位关联的特性，使量子态能以叠加形式稳定存在，从而实现量子干涉与并行计算等独特量子效应。

研究团队做出了重大技术创新，尤其针对退相干效应开发出抑制和消除机制。努力付出终有回报，如前文所述，反质子实现持续50秒的稳定量子振荡——这种运动类似于量子比特的叠加态，理论上可存储指数级信息量。更值得注意的是，这是学界首次在单个自由核磁矩中观测到该现象，以往实验只能从大量粒子群里看到类似效果。

《自然》论文的第一作者、CERN物理学家芭芭拉·拉塔奇(Barbara Latacz)激动不已：“我们当场开香槟庆祝，那这是我人生最辉煌的一大时刻！历时五年全力以赴的技术升级，我们才将这个本就极其精密的实验改进至能观测相干自旋态光谱的水平。”

BASE项目发言人、德国粒子物理学家斯特凡·乌尔默(Stefan Ulmer)在声明中强调：“这是反物质量子比特的首次实现，让我们开始设想在精密实验里应用全套相干光谱方法以研究单粒子物质/反物质系统。”

BASE项目团队的芭芭拉·拉塔奇正开展工作

不过研究团队也坦言，新成果短期内难以推动反物质量子比特在量子计算领域的实际应用。

拉塔奇解释称：“目前将反物质量子比特用于量子计算机并不现实。简单来说，生产与储存反物质的工程难度远大于正常物质。既然物质与反物质具有相同的基本属性，选择后者似乎缺乏实际意义；但若未来发现二者存在行为差异，反物质的价值或许就要被重视了。”

根据拉塔奇的说法，团队还计划做出更多技术改进，并尽快落实相关工作。BASE的升级工程名为“BASE-STEP”，有望大幅提高研究反质子的精度——“让反质子磁矩测量精度至少升至10倍水平，从长远来看甚至可达100倍”。

BASE项目的新突破或将推动量子计算、原子钟等领域的工程进展。尽管相关技术应用短期内难以实现，但反物质量子比特的节奏摇摆已经带给基础物理学以重要启示，其中许多问题可能需要多年才会有答案。

资料来源：

Physicists Create First-Ever Antimatter Qubit, Making the Quantum World Even Weirder

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