《自然》重磅：实现第一个反物质量子比特

对宇宙基本组成部分的探索，一直是科学研究的强大驱动力。其中最令人费解的谜团之一是物质与反物质的不平衡。根据我们目前的理解，宇宙大爆炸应该产生了等量的物质和反物质，然而我们观测到的宇宙却绝大多数由物质组成。这种深刻的不对称性暗示了超越标准模型的物理学，而探索的一个关键途径在于精确比较粒子及其反粒子对应物的基本性质。

在这项伟大的探索中，欧洲核子研究组织BASE（重子反重子对称性实验）合作团队最近在《自然》杂志上发表的论文“单个反质子自旋的相干光谱”，标志着一项里程碑式的成就，为探测物质和反物质之间最微小的差异打开了前所未有的大门，并开启了反物质量子控制的新时代。

这项开创性研究的核心在于，它首次成功演示了对单个被捕获的反质子进行相干量子跃迁光谱。这是一项非凡的精度和控制壮举。想象一个反质子，一个微小的反物质粒子，被分离并囚禁在一个精心制作的电磁笼中。BASE团队不仅成功地分离了这样一个粒子，而且还展示了以卓越的相干性精确操控其内禀角动量，即“自旋”的能力。这就像能够可靠地翻转一枚量子硬币，不仅一次，而是长时间地重复且可预测地翻转。

观察到单个核磁矩的拉比振荡意义重大。拉比振荡是一种典型的量子现象，它描述了当量子系统受到共振电磁场驱动时，其两个能级之间的布居数周期性交换。简而言之，它们是量子态相干控制的标志。在单个反质子自旋中观察到这些振荡，直接证明了BASE团队能够使其自旋在其两个基本量子态——自旋“向上”和自旋“向下”——之间相干振荡近一分钟。这种前所未有的相干时间达到了约50秒，并且自旋反转概率超过80%，这证明了所实现的非凡隔离和操控能力。如此长的相干时间极大地提高了测量反质子性质的精度，因为它允许与探测电磁场进行更长的相互作用时间。

也许这项工作最令人兴奋的意义是实现了世界上第一个反物质量子比特。在量子计算领域，量子比特是信息的基本单位，类似于经典计算中的比特，但它具有存在于叠加态中的额外能力。通过展示对反质子自旋的相干控制，BASE合作团队有效地创建了一个稳定、可操控的反物质量子比特。尽管用反物质进行量子计算仍是一个遥远的前景，但这一基础性步骤为探索由反物质组成的系统中的量子信息处理开辟了全新的途径，可能带来计算和模拟的新方法。

这项突破的影响重大。这项细致工作的主要动机是显著提高反质子磁矩的测量精度。磁矩是源于粒子自旋和电荷的基本性质。比较质子和反质子的磁矩为CPT对称性提供了最严格的测试之一，CPT对称性是标准模型的基石。CPT对称性假设，在同时进行电荷共轭、宇称反演和时间反转变换下，物理定律应保持不变。质子和反质子磁矩之间任何可察觉的差异都将明确表明CPT对称性遭到破坏，预示着我们当前理解之外的新物理学，并可能为宇宙中物质-反物质不对称提供线索。BASE团队的成就为将这一测量精度提高至少十倍铺平了道路，从而推动了基础物理学的边界。

除了CPT测试，利用单个反质子自旋进行的相干光谱对量子传感和计量学也具有深远影响。量子传感利用量子系统对外场的极高灵敏度进行高精度测量。相干控制单个核自旋的能力，无论是物质还是反物质，都是新型量子传感器，特别是磁力计的关键促成因素。通过精确监测自旋的相干演化，研究人员可以检测和表征极其微弱的磁场，为医学成像到材料科学等不同领域的应用打开了大门。

BASE合作团队采用的实验方法既巧妙又精确。他们利用CERN的反质子减速器（AD）/ELENA设施内复杂的复式彭宁阱系统，设计了一个两步过程来克服处理反质子固有的挑战。首先，“分析阱”中的非破坏性自旋态检测机制使他们能够在不破坏粒子的情况下确定反质子的自旋态。这对于重复测量和延长观察时间至关重要。随后，反质子被输送到一个具有异常均匀磁场的“精密阱”中，在那里通过量子投影测量诱导并仔细分析相干自旋动力学。这种巧妙的检测和操纵的空间分离，为这两个过程提供了最佳条件，最大限度地减少了退相干，并最大化了测量保真度。

之前试图探测反质子性质的实验受到环境噪声和退相干效应的限制。BASE团队的创新方法显著缓解了这些问题，实现了令人瞩目的50秒相干时间，并且共振线宽比之前的测量窄了16倍以上。尽管目前的线宽仍受回旋频率测量噪声引起的退相干影响，但进一步改进的基础已经奠定。最终目标是将质子和反质子磁矩的分数精度达到万亿分之一以下（低于100 p.p.t.），这一精度水平可能揭示几十年来困扰物理学家的微小差异。