物理學(xué)家芭芭拉·拉塔奇在BASE實(shí)驗(yàn)中工作。圖片來源:CERN官網(wǎng)

歐洲核子研究中心(CERN)的BASE合作組23日在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果:首次讓一個(gè)反質(zhì)子在量子“自旋上”與“自旋下”狀態(tài)之間持續(xù)穩(wěn)定地振蕩了近一分鐘。這標(biāo)志著首個(gè)反物質(zhì)量子比特的誕生,是反物質(zhì)研究領(lǐng)域取得的一次重大突破,為更精準(zhǔn)地比較物質(zhì)與反物質(zhì)的行為差異開辟了新路徑。

反質(zhì)子是質(zhì)子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)粒子,質(zhì)量相同但電荷相反。它們就像微小的條形磁鐵,可以因量子自旋的不同朝向“上”或“下”兩個(gè)方向。科學(xué)家可利用“相干量子躍遷光譜”技術(shù),測量這些所謂“磁矩”翻轉(zhuǎn)的方式。這項(xiàng)技術(shù)不僅在量子傳感和量子信息處理中具有重要作用,也為檢驗(yàn)自然界基本法則提供了精密工具,特別是電荷—宇稱—時(shí)間(CPT)對(duì)稱性。這種對(duì)稱性規(guī)定,物質(zhì)與反物質(zhì)在所有物理行為上應(yīng)完全一致,然而科學(xué)家觀察到的宇宙卻幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成,這與理論存在明顯矛盾。

目前,相干量子躍遷已在大量粒子集合和束縛離子中觀察到,但還從未在一個(gè)自由的、具備核磁矩的單一粒子上實(shí)現(xiàn)過,盡管這種粒子在物理學(xué)教科書中頻頻出現(xiàn)。現(xiàn)在,團(tuán)隊(duì)在CERN的反物質(zhì)工廠中首次做到了這一點(diǎn)。他們采用相干量子躍遷光譜技術(shù),讓一個(gè)被困于電磁阱中的單個(gè)反質(zhì)子在兩個(gè)自旋態(tài)之間來回躍遷,并保持量子相干狀態(tài)長達(dá)50秒。這一“相干時(shí)間”創(chuàng)下了反物質(zhì)研究中的新紀(jì)錄。

團(tuán)隊(duì)將這一過程形象地比作“推秋千”:在恰當(dāng)時(shí)機(jī)給予粒子適度“推動(dòng)”,便可使其在兩個(gè)狀態(tài)間以節(jié)奏均勻、連貫的方式來回?cái)[動(dòng)。不同于傳統(tǒng)的非相干測量方法,該實(shí)驗(yàn)顯著抑制了磁場波動(dòng)和環(huán)境干擾帶來的“量子退相干”效應(yīng),使得反質(zhì)子的量子態(tài)得以保持更久,從而實(shí)現(xiàn)了更加穩(wěn)定和精準(zhǔn)的測量。

BASE合作組發(fā)言人斯特凡·烏爾默表示,這是人類首次實(shí)現(xiàn)反物質(zhì)量子比特,為今后在單個(gè)物質(zhì)和反物質(zhì)粒子上開展更精準(zhǔn)的相干光譜實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。最重要的是,這將使研究人員在未來實(shí)驗(yàn)中測量反質(zhì)子磁矩的精度提高10至100倍。