近日，歐洲核子研究中心（CERN）的BASE合作組在一項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的研究中，首次利用反物質(zhì)構(gòu)建出了一個(gè)量子比特（qubit）——物理學(xué)家讓一個(gè)反質(zhì)子（即質(zhì)子的反粒子）在兩種不同的量子態(tài)之間平穩(wěn)振蕩，持續(xù)時(shí)間接近一分鐘。這一突破為更高精度地比較物質(zhì)與反物質(zhì)的行為特性鋪平了道路。

物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱之謎

理論上，宇宙在誕生之初應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，今天我們所見的所有可見結(jié)構(gòu)——包括恒星、星系、行星和人類——幾乎完全是由物質(zhì)構(gòu)成的。為什么會(huì)這樣？這是物理學(xué)中最大的未解謎團(tuán)之一。而這個(gè)謎團(tuán)可以通過極其精確地比較物質(zhì)與反物質(zhì)粒子的屬性來加以探究。

在新的研究中，研究人員比較的是質(zhì)子和反質(zhì)子的磁矩——這個(gè)特性決定了粒子在磁場(chǎng)中的行為方式。如果最終發(fā)現(xiàn)質(zhì)子與反質(zhì)子的磁矩哪怕存在非常微小的差異，都有可能為宇宙中為何物質(zhì)多于反物質(zhì)提供關(guān)鍵線索。

然而，測(cè)量核粒子的磁矩本身就以極其困難著稱，而對(duì)反物質(zhì)進(jìn)行磁矩測(cè)量，更是將實(shí)驗(yàn)物理的挑戰(zhàn)推到了極限。要完成這些測(cè)量，實(shí)驗(yàn)裝置的靈敏度必須比以往所有儀器高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。

因此，BASE合作組借助了一種名為相干量子躍遷光譜學(xué)的精密量子技術(shù)，來測(cè)量反質(zhì)子的磁矩翻轉(zhuǎn)方式。這項(xiàng)技術(shù)不僅在量子傳感和信息處理方面具有強(qiáng)大潛力，還可用于高精度地檢驗(yàn)自然界的基本規(guī)律，包括CPT對(duì)稱性。根據(jù)這一對(duì)稱性，物質(zhì)與反物質(zhì)應(yīng)表現(xiàn)出完全一致的物理行為，但這與我們所觀測(cè)到的宇宙中物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)的現(xiàn)象并不相符。

操縱反質(zhì)子自旋

粒子具有一些違背直覺的量子特性，例如著名的雙縫實(shí)驗(yàn)所揭示的自我干涉現(xiàn)象。然而，這類量子干涉效應(yīng)極易受到周圍環(huán)境的擾動(dòng)，通常會(huì)在所謂的量子退相干過程中迅速被抹除。要想真正控制和追蹤量子系統(tǒng)的演化過程——例如監(jiān)測(cè)一個(gè)單個(gè)反質(zhì)子在不同自旋態(tài)之間的躍遷——就必須設(shè)法維持量子態(tài)的相干性。（一個(gè)粒子的自旋可以處于“向上”或“向下”的狀態(tài)，就像計(jì)算機(jī)比特可以是“0”或“1”。而反質(zhì)子量子比特的自旋可以是“向上”、“向下”，或者同時(shí)處于兩者的任意組合狀態(tài)。）

在新研究中，研究人員通過微波脈沖來精確控制一個(gè)反質(zhì)子的自旋狀態(tài)變化。

實(shí)驗(yàn)中的反質(zhì)子由CERN反物質(zhì)工廠產(chǎn)生，并儲(chǔ)存在電磁彭寧阱中，隨后被逐個(gè)送入第二套多阱系統(tǒng)，進(jìn)行自旋態(tài)的測(cè)量與操控。通過在精確設(shè)定的頻率下施加微波輻射，研究團(tuán)隊(duì)誘導(dǎo)出拉比振蕩——即反質(zhì)子自旋的周期性翻轉(zhuǎn)，并觀測(cè)到了隨之產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。

在某種程度上，這一過程就好比推動(dòng)一個(gè)秋千：只要推力適當(dāng)，秋千便能以完美節(jié)奏前后擺動(dòng)。設(shè)想該“秋千”是一個(gè)被俘獲的反質(zhì)子，它在自旋“向上”和“向下”兩種狀態(tài)之間以一種平穩(wěn)、可控的節(jié)奏振蕩。BASE合作組借助復(fù)雜的電磁阱系統(tǒng)，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)給反質(zhì)子施加恰好的“推力”，使這一“量子秋千”精確運(yùn)行。由于其量子本質(zhì)，這一反質(zhì)子自旋量子比特在未被觀測(cè)時(shí)甚至可同時(shí)指向多個(gè)方向。

事實(shí)上，此前，研究團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)依賴非相干光譜學(xué)技術(shù)成功測(cè)定：質(zhì)子與反質(zhì)子的磁矩大小在十億分之一的范圍內(nèi)完全一致。但是在非相干光譜學(xué)技術(shù)中，量子躍遷過程易受磁場(chǎng)波動(dòng)與測(cè)量噪聲的干擾。

現(xiàn)在，新研究則通過對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行重大升級(jí)，有效地抑制并消除了退相干機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)反質(zhì)子自旋的首個(gè)相干光譜測(cè)量，并保持了長(zhǎng)達(dá)50秒的自旋相干時(shí)間。這標(biāo)志著首個(gè)反物質(zhì)量子比特的實(shí)現(xiàn)。

盡管量子比特是量子計(jì)算的核心單元，可通過多種疊加狀態(tài)存儲(chǔ)信息，但是由BASE展示的反物質(zhì)量子比特構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī)仍然遙不可及。不過，這仍是一項(xiàng)令人振奮的成果，因?yàn)?strong>此類反物質(zhì)實(shí)驗(yàn)可能揭示宇宙本身的深層奧秘。

前所未有的精度

新研究首次實(shí)現(xiàn)了反物質(zhì)量子比特，也為在高精度實(shí)驗(yàn)中將完整的相干光譜學(xué)方法應(yīng)用于單個(gè)物質(zhì)或反物質(zhì)粒子奠定了基礎(chǔ)。新的成果也將幫助BASE在未來的實(shí)驗(yàn)中以至少10倍的精度測(cè)量反質(zhì)子的磁矩，從而徹底改變對(duì)重子反物質(zhì)的研究方式。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：geralt / Pixabay