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欧洲核子研究中心（CERN）的BASE合作组宣布，他们首次成功制备并操控了一个“反物质量子比特”（antimatter qubit），在单个反质子上实现了前所未有的量子精密测量，这一成果已发表在《自然》（Nature）期刊上。团队在实验中将一枚单独的反质子困在装置中，并让其自旋在两种量子态之间平滑切换，持续时间接近一分钟，为以极高精度比较物质与反物质行为开辟了新路径。
反质子是质子的反物质对应物，质量相同但电荷相反，同时具有类似微小磁铁的自旋属性，自旋方向只能取两种状态之一。观测自旋状态及其跃迁过程，对量子传感、超高精度测量，以及检验物质和反物质在物理定律下是否真正“对称”至关重要，这其中就包括粒子物理的基本原则——CPT对称性。根据标准模型，粒子和反粒子应具有相同质量和寿命，主要差别只体现在电荷相关性质上，因此，将质子与反质子在极高精度下逐项比对，是检验该理论的核心手段之一。
为了实现本次实验，研究人员采用了一种名为“相干量子跃迁光谱学”（coherent quantum transition spectroscopy）的技术，用以在最大限度抑制环境噪声影响的同时，精细测量自旋态之间的变化。这一技术已广泛应用于计量学、量子信息处理、磁力测量以及标准模型的精密检验，在此前针对质子与氘核的实验中，曾实现低于万亿分之一水平的高分辨率微波激射光谱测量。
以往此类光谱实验多依赖于“大量粒子统计”的方式，而BASE团队此次突破性地将方法应用在“单个自由核自旋”上。在低温潘宁阱系统中，研究人员首先借助连续施特恩–盖拉赫效应测量反质子的自旋状态，随后将其转移至磁场高度稳定的精密阱中，通过量子投影测量手段，生成并解析反质子的相干量子行为。
实验还首次在反质子自旋系统中清晰观测到拉比振荡现象。所谓拉比振荡，是量子系统在外加共振电磁场驱动下，在两个能级之间周期性跃迁的过程，其频率（拉比频率）取决于相互作用的强度。这一效应是量子计算、磁共振与原子物理中的基础工具，因为它允许研究人员对原子、离子及量子比特的量子态进行精确操控。
在时间序列测量中，团队实现了超过80%的自旋翻转概率，自旋相干时间约为50秒。在单粒子自旋共振测试中，自旋翻转概率超过70%，且跃迁线宽比此前类似实验窄16倍，大幅提升了测量精度；限制因素主要来自与回旋频率测量相关的退相干效应。BASE合作组此前已经证明，质子和反质子的磁矩在十亿分之几的精度范围内高度一致，表明它们在磁性属性上几乎完全对称。项目负责人斯特凡·乌尔默表示，未来借助这一新方法，有望将反质子磁矩测量精度再提升10至100倍。
尽管“量子比特”一词常与量子计算联系在一起，但研究人员指出，此次实现的反物质量子比特在短期内并不会直接转化为工程或计算技术应用。它的真正科学价值，在于赋予物理学家前所未有的精度和手段，从根本尺度上审视反物质的性质，并与普通物质做更严苛的对比，为解释宇宙中为何几乎完全由物质主导，而非物质与反物质对等共存，提供重要线索。
论文第一作者芭芭拉·拉塔奇透露，团队已经将目光投向下一步的BASE-STEP计划——这一系统旨在将困在阱中的反质子转移到磁场更“安静”的环境中。理论上，这将把自旋相干时间再延长约一个数量级，对推进重子反物质研究具有关键意义。研究团队认为，通过将先进的量子操控技术与极高精度的实验装置相结合，人类已经在反物质研究领域迈入一个全新的精密测量时代，也更接近于揭示宇宙物质–反物质不对称性的深层原因。
欧洲核子研究中心 、《自然》杂志
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