На фабрике антиматерии CERN ученые достигли значительного прогресса: им впервые удалось зафиксировать управляемое квантовое поведение одиночного антипротона.
На протяжении почти одной минуты частица находилась в состоянии когерентного колебания между двумя спиновыми состояниями, демонстрируя стабильную квантовую суперпозицию — это стало первым в истории случаем, когда антиматерия выступила в роли кубита. Эксперимент коллаборации BASE может существенно повлиять на дальнейшие исследования симметрии между материей и антиматерией и даже изменить основные законы физики.
Антипротон — антиматериальный аналог обычного протона: он обладает такой же массой, но имеет противоположный электрический заряд. Подобно маленьким магнитам, эти частицы обладают так называемым магнитным моментом, который может быть направлен «вверх» или «вниз» в зависимости от квантового спина. Переходы между этими состояниями — это процесс, схожий с раскачиванием качелей, и его наблюдение требует исключительной точности. Ранее такие эффекты удавалось фиксировать только в больших системах частиц или ионах, удерживаемых в ловушках, но никогда — у одиночного ядерного магнитного момента. Это достижение считалось теоретически возможным, но до сих пор оставалось технически недоступным.
Исследовательская группа BASE применила сложную систему электромагнитных ловушек (ловушки Пеннинга) для изоляции антипротона и возбуждения в нем когерентных переходов между спиновыми состояниями. При этом физикам удалось минимизировать помехи — колебания магнитного поля и шумы измерительных устройств. Это позволило зафиксировать спиновую когерентность антипротона на рекордные 50 секунд. Именно такая продолжительность «раскачивания» квантовых состояний без потери когерентности и обеспечила возможность рассматривать частицу как полноценный кубит — основной элемент квантовых вычислений.
Практическое применение такого антиматериального кубита в области квантовых технологий на данный момент маловероятно, однако его значение для фундаментальной физики трудно переоценить. Измерение магнитного момента антипротона с высокой точностью является одним из ключевых методов оценки симметрии между материей и антиматерией, или СРТ-инвариантности. Согласно этой симметрии, физические характеристики частиц и античастиц должны быть абсолютно идентичны. Если окажется, что существует даже незначительное расхождение в их поведении, это станет сигналом о наличии физики, выходящей за рамки Стандартной модели — современного описания элементарных частиц и их взаимодействий.
