Антиматерия подчинилась впервые — антипротон стал кубитом и исполнил квантовый приказ
NewsMakerОн выдержал 50 секунд квантового танца — и это только начало.
Учёные из эксперимента BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) при ЦЕРН совершили беспрецедентный прорыв в физике антивещества: впервые в истории они создали и зафиксировали квантовый бит из антиматерии — антиматериальный кубит. Научной группе удалось удерживать одиночный антипротон — антипод протона, отличающийся от него лишь отрицательным зарядом — в когерентном квантовом состоянии, плавно переключающемся между двумя спиновыми конфигурациями на протяжении почти 50 секунд. Это достижение не только расширяет границы квантовой физики, но и открывает новые возможности для фундаментальных экспериментов по симметрии материи и антиматерии.
В основе эксперимента лежит наблюдение за квантовыми колебаниями антипротона, заключённого в ловушке Пеннинга — сложной электромагнитной конструкции, позволяющей изолировать заряженную частицу от внешнего окружения. Благодаря этому методу исследователи создали условия, в которых антипротон мог свободно "качаться", переходя из одного квантового спинового состояния в другое под действием точно рассчитанных электромагнитных импульсов. В квантовой терминологии такая колебательная динамика между состояниями "вверх" и "вниз" спина представляет собой когерентный переход — ключевой процесс, необходимый для манипуляции и измерения кубитов в квантовых системах.
Антипротоны ведут себя как крошечные магнитики, способные ориентироваться в пространстве согласно направлению их спина — фундаментального квантового свойства, которое, в отличие от классического вращения, описывает внутренний угловой момент частицы. В обычных условиях квантовое состояние быстро нарушается из-за взаимодействия с внешней средой — процесс, известный как декогеренция. Но в эксперименте BASE исследователи смогли почти полностью подавить такие внешние флуктуации, включая магнитные шумы, обеспечив тем самым беспрецедентно длительное когерентное состояние антипротона. Продолжительность такого устойчивого режима, известная как время когерентности спина, достигла 50 секунд — рекорд для подобных систем.
Для достижения столь тонкого контроля над антипротоном исследователи использовали методику когерентной спектроскопии квантовых переходов — подход, при котором точные радиочастотные импульсы вызывают согласованные переходы между квантовыми состояниями. Команда BASE сравнила этот процесс с тем, как ребёнка раскачивают на качелях, подталкивая каждый раз в нужный момент, чтобы сохранять плавный ритм. Только в данном случае "качели" — это один-единственный антипротон, раскачиваемый в квантовом смысле между двумя направлениями спина. Причём в квантовой механике, когда система не наблюдается, этот "качание" может существовать сразу в нескольких направлениях — суперпозиция, одна из основополагающих концепций квантовой теории.
До этого момента все измерения магнитного момента антипротона полагались на некогерентные методы — менее точные и уязвимые к шумам. Новый эксперимент позволяет перейти к высокоточному, управляемому взаимодействию с частицей. Как отметил доктор Стефан Ульмер, основатель и научный руководитель проекта BASE, теперь появилась возможность применять спектроскопию когерентных переходов в будущих экспериментах с частицами и античастицами, что позволит улучшить точность измерений магнитного момента антипротона в 10–100 раз. Это, в свою очередь, станет критически важным для проверки симметрии CPT (заряд–парность–время) — одного из фундаментальных постулатов Стандартной модели, утверждающего, что материя и антиматерия должны вести себя абсолютно идентично. Любое выявленное отклонение от этой симметрии может стать доказательством существования новой физики за пределами известной теории.
На практике эксперимент проходил следующим образом: сначала антипротон изолировали в системе из нескольких ловушек, где его можно было точно перемещать, манипулировать его состоянием и проводить измерения. После этого была произведена серия управляемых воздействий, вызывающих переходы между спиновыми состояниями. Важнейшим элементом стала полная подавленность источников декогеренции, включая нестабильность магнитного поля и тепловые шумы. Это позволило впервые наблюдать не просто спиновое поведение, а именно когерентную динамику на масштабе времени, ранее недоступном.
Хотя сам антиматериальный кубит не предназначен для вычислений в стиле квантовых компьютеров — по крайней мере, пока, — его значимость заключается в другом. Он становится уникальным инструментом для тончайших измерений и экспериментов по фундаментальной физике, включая тесты симметрии CPT, квантовые сенсоры и анализ взаимодействий на субатомном уровне.
Научная группа уже объявила о планах продолжить исследования в рамках проекта BASE-STEP — новой экспериментальной платформы, которая позволит транспортировать антипротоны в сверхнизкошумовые среды. Как поясняет доктор Барбара Латач, ведущий автор исследования, при таких условиях возможно продлить время когерентности до 500 секунд. Это создаёт потенциал для самого детального изучения магнитных свойств античастиц за всю историю физики.
Таким образом, впервые в истории человечество получило возможность не только наблюдать поведение одиночного антипротона с квантовой точностью, но и управлять этим поведением в реальном времени. Это открывает новую главу в понимании антиматерии, с перспективой раскрыть глубинные законы устройства Вселенной.
Учёные из эксперимента BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) при ЦЕРН совершили беспрецедентный прорыв в физике антивещества: впервые в истории они создали и зафиксировали квантовый бит из антиматерии — антиматериальный кубит. Научной группе удалось удерживать одиночный антипротон — антипод протона, отличающийся от него лишь отрицательным зарядом — в когерентном квантовом состоянии, плавно переключающемся между двумя спиновыми конфигурациями на протяжении почти 50 секунд. Это достижение не только расширяет границы квантовой физики, но и открывает новые возможности для фундаментальных экспериментов по симметрии материи и антиматерии.
В основе эксперимента лежит наблюдение за квантовыми колебаниями антипротона, заключённого в ловушке Пеннинга — сложной электромагнитной конструкции, позволяющей изолировать заряженную частицу от внешнего окружения. Благодаря этому методу исследователи создали условия, в которых антипротон мог свободно "качаться", переходя из одного квантового спинового состояния в другое под действием точно рассчитанных электромагнитных импульсов. В квантовой терминологии такая колебательная динамика между состояниями "вверх" и "вниз" спина представляет собой когерентный переход — ключевой процесс, необходимый для манипуляции и измерения кубитов в квантовых системах.
Антипротоны ведут себя как крошечные магнитики, способные ориентироваться в пространстве согласно направлению их спина — фундаментального квантового свойства, которое, в отличие от классического вращения, описывает внутренний угловой момент частицы. В обычных условиях квантовое состояние быстро нарушается из-за взаимодействия с внешней средой — процесс, известный как декогеренция. Но в эксперименте BASE исследователи смогли почти полностью подавить такие внешние флуктуации, включая магнитные шумы, обеспечив тем самым беспрецедентно длительное когерентное состояние антипротона. Продолжительность такого устойчивого режима, известная как время когерентности спина, достигла 50 секунд — рекорд для подобных систем.
Для достижения столь тонкого контроля над антипротоном исследователи использовали методику когерентной спектроскопии квантовых переходов — подход, при котором точные радиочастотные импульсы вызывают согласованные переходы между квантовыми состояниями. Команда BASE сравнила этот процесс с тем, как ребёнка раскачивают на качелях, подталкивая каждый раз в нужный момент, чтобы сохранять плавный ритм. Только в данном случае "качели" — это один-единственный антипротон, раскачиваемый в квантовом смысле между двумя направлениями спина. Причём в квантовой механике, когда система не наблюдается, этот "качание" может существовать сразу в нескольких направлениях — суперпозиция, одна из основополагающих концепций квантовой теории.
До этого момента все измерения магнитного момента антипротона полагались на некогерентные методы — менее точные и уязвимые к шумам. Новый эксперимент позволяет перейти к высокоточному, управляемому взаимодействию с частицей. Как отметил доктор Стефан Ульмер, основатель и научный руководитель проекта BASE, теперь появилась возможность применять спектроскопию когерентных переходов в будущих экспериментах с частицами и античастицами, что позволит улучшить точность измерений магнитного момента антипротона в 10–100 раз. Это, в свою очередь, станет критически важным для проверки симметрии CPT (заряд–парность–время) — одного из фундаментальных постулатов Стандартной модели, утверждающего, что материя и антиматерия должны вести себя абсолютно идентично. Любое выявленное отклонение от этой симметрии может стать доказательством существования новой физики за пределами известной теории.
На практике эксперимент проходил следующим образом: сначала антипротон изолировали в системе из нескольких ловушек, где его можно было точно перемещать, манипулировать его состоянием и проводить измерения. После этого была произведена серия управляемых воздействий, вызывающих переходы между спиновыми состояниями. Важнейшим элементом стала полная подавленность источников декогеренции, включая нестабильность магнитного поля и тепловые шумы. Это позволило впервые наблюдать не просто спиновое поведение, а именно когерентную динамику на масштабе времени, ранее недоступном.
Хотя сам антиматериальный кубит не предназначен для вычислений в стиле квантовых компьютеров — по крайней мере, пока, — его значимость заключается в другом. Он становится уникальным инструментом для тончайших измерений и экспериментов по фундаментальной физике, включая тесты симметрии CPT, квантовые сенсоры и анализ взаимодействий на субатомном уровне.
Научная группа уже объявила о планах продолжить исследования в рамках проекта BASE-STEP — новой экспериментальной платформы, которая позволит транспортировать антипротоны в сверхнизкошумовые среды. Как поясняет доктор Барбара Латач, ведущий автор исследования, при таких условиях возможно продлить время когерентности до 500 секунд. Это создаёт потенциал для самого детального изучения магнитных свойств античастиц за всю историю физики.
Таким образом, впервые в истории человечество получило возможность не только наблюдать поведение одиночного антипротона с квантовой точностью, но и управлять этим поведением в реальном времени. Это открывает новую главу в понимании антиматерии, с перспективой раскрыть глубинные законы устройства Вселенной.