反物质研究的新里程碑

近日，欧洲核子研究中心（CERN）的BASE合作组在一项发表于《自然》杂志的研究中，首次利用反物质构建出了一个量子比特（qubit）——物理学家让一个反质子（即质子的反粒子）在两种不同的量子态之间平稳振荡，持续时间接近一分钟。这一突破为更高精度地比较物质与反物质的行为特性铺平了道路。

物质-反物质不对称之谜

理论上，宇宙在诞生之初应当产生了等量的物质和反物质。然而，今天我们所见的所有可见结构——包括恒星、星系、行星和人类——几乎完全是由物质构成的。为什么会这样？这是物理学中最大的未解谜团之一。而这个谜团可以通过极其精确地比较物质与反物质粒子的属性来加以探究。

在新的研究中，研究人员比较的是质子和反质子的磁矩——这个特性决定了粒子在磁场中的行为方式。如果最终发现质子与反质子的磁矩哪怕存在非常微小的差异，都有可能为宇宙中为何物质多于反物质提供关键线索。

然而，测量核粒子的磁矩本身就以极其困难著称，而对反物质进行磁矩测量，更是将实验物理的挑战推到了极限。要完成这些测量，实验装置的灵敏度必须比以往所有仪器高出三个数量级。

因此，BASE合作组借助了一种名为相干量子跃迁光谱学的精密量子技术，来测量反质子的磁矩翻转方式。这项技术不仅在量子传感和信息处理方面具有强大潜力，还可用于高精度地检验自然界的基本规律，包括CPT对称性。根据这一对称性，物质与反物质应表现出完全一致的物理行为，但这与我们所观测到的宇宙中物质远多于反物质的现象并不相符。

操纵反质子自旋

粒子具有一些违背直觉的量子特性，例如著名的双缝实验所揭示的自我干涉现象。然而，这类量子干涉效应极易受到周围环境的扰动，通常会在所谓的量子退相干过程中迅速被抹除。要想真正控制和追踪量子系统的演化过程——例如监测一个单个反质子在不同自旋态之间的跃迁——就必须设法维持量子态的相干性。（一个粒子的自旋可以处于“向上”或“向下”的状态，就像计算机比特可以是“0”或“1”。而反质子量子比特的自旋可以是“向上”、“向下”，或者同时处于两者的任意组合状态。）

在新研究中，研究人员通过微波脉冲来精确控制一个反质子的自旋状态变化。

实验中的反质子由CERN反物质工厂产生，并储存在电磁彭宁阱中，随后被逐个送入第二套多阱系统，进行自旋态的测量与操控。通过在精确设定的频率下施加微波辐射，研究团队诱导出拉比振荡——即反质子自旋的周期性翻转，并观测到了随之产生的共振现象。

在某种程度上，这一过程就好比推动一个秋千：只要推力适当，秋千便能以完美节奏前后摆动。设想该“秋千”是一个被俘获的反质子，它在自旋“向上”和“向下”两种状态之间以一种平稳、可控的节奏振荡。BASE合作组借助复杂的电磁阱系统，在恰当的时机给反质子施加恰好的“推力”，使这一“量子秋千”精确运行。由于其量子本质，这一反质子自旋量子比特在未被观测时甚至可同时指向多个方向。

事实上，此前，研究团队就已经依赖非相干光谱学技术成功测定：质子与反质子的磁矩大小在十亿分之一的范围内完全一致。但是在非相干光谱学技术中，量子跃迁过程易受磁场波动与测量噪声的干扰。

现在，新研究则通过对实验系统进行重大升级，有效地抑制并消除了退相干机制，最终实现了对反质子自旋的首个相干光谱测量，并保持了长达50秒的自旋相干时间。这标志着首个反物质量子比特的实现。

尽管量子比特是量子计算的核心单元，可通过多种叠加状态存储信息，但是由BASE展示的反物质量子比特构成的量子计算机仍然遥不可及。不过，这仍是一项令人振奋的成果，因为此类反物质实验可能揭示宇宙本身的深层奥秘。

前所未有的精度

新研究首次实现了反物质量子比特，也为在高精度实验中将完整的相干光谱学方法应用于单个物质或反物质粒子奠定了基础。新的成果也将帮助BASE在未来的实验中以至少10倍的精度测量反质子的磁矩，从而彻底改变对重子反物质的研究方式。

#参考来源：

https://home.cern/news/news/physics/quantum-leap-antimatter-measurements

https://physicsworld.com/a/quantum-control-of-individual-antiprotons-puts-the-standard-model-to-the-test/

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09323-1

#图片来源：

封面图&首图：geralt / Pixabay