反物質研究的新里程碑

近日，歐洲核子研究中心（CERN）的BASE合作組在一項發表于《自然》雜志的研究中，首次利用反物質構建出了一個量子比特（qubit）——物理學家讓一個反質子（即質子的反粒子）在兩種不同的量子態之間平穩振蕩，持續時間接近一分鐘。這一突破為更高精度地比較物質與反物質的行為特性鋪平了道路。

物質-反物質不對稱之謎

理論上，宇宙在誕生之初應當產生了等量的物質和反物質。然而，今天我們所見的所有可見結構——包括恒星、星系、行星和人類——幾乎完全是由物質構成的。為什么會這樣？這是物理學中最大的未解謎團之一。而這個謎團可以通過極其精確地比較物質與反物質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子和反質子的磁矩——這個特性決定了粒子在磁場中的行為方式。如果最終發現質子與反質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多于反物質提供關鍵線索。

然而，測量核粒子的磁矩本身就以極其困難著稱，而對反物質進行磁矩測量，更是將實驗物理的挑戰推到了極限。要完成這些測量，實驗裝置的靈敏度必須比以往所有儀器高出三個數量級。

因此，BASE合作組借助了一種名為相干量子躍遷光譜學的精密量子技術，來測量反質子的磁矩翻轉方式。這項技術不僅在量子傳感和信息處理方面具有強大潛力，還可用于高精度地檢驗自然界的基本規律，包括CPT對稱性。根據這一對稱性，物質與反物質應表現出完全一致的物理行為，但這與我們所觀測到的宇宙中物質遠多于反物質的現象并不相符。

操縱反質子自旋

粒子具有一些違背直覺的量子特性，例如著名的雙縫實驗所揭示的自我干涉現象。然而，這類量子干涉效應極易受到周圍環境的擾動，通常會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的演化過程——例如監測一個單個反質子在不同自旋態之間的躍遷——就必須設法維持量子態的相干性。（一個粒子的自旋可以處于“向上”或“向下”的狀態，就像計算機比特可以是“0”或“1”。而反質子量子比特的自旋可以是“向上”、“向下”，或者同時處于兩者的任意組合狀態。）

在新研究中，研究人員通過微波脈沖來精確控制一個反質子的自旋狀態變化。

實驗中的反質子由CERN反物質工廠產生，并儲存在電磁彭寧阱中，隨后被逐個送入第二套多阱系統，進行自旋態的測量與操控。通過在精確設定的頻率下施加微波輻射，研究團隊誘導出拉比振蕩——即反質子自旋的周期性翻轉，并觀測到了隨之產生的共振現象。

在某種程度上，這一過程就好比推動一個秋千：只要推力適當，秋千便能以完美節奏前后擺動。設想該“秋千”是一個被俘獲的反質子，它在自旋“向上”和“向下”兩種狀態之間以一種平穩、可控的節奏振蕩。BASE合作組借助復雜的電磁阱系統，在恰當的時機給反質子施加恰好的“推力”，使這一“量子秋千”精確運行。由于其量子本質，這一反質子自旋量子比特在未被觀測時甚至可同時指向多個方向。

事實上，此前，研究團隊就已經依賴非相干光譜學技術成功測定：質子與反質子的磁矩大小在十億分之一的范圍內完全一致。但是在非相干光譜學技術中，量子躍遷過程易受磁場波動與測量噪聲的干擾。

現在，新研究則通過對實驗系統進行重大升級，有效地抑制并消除了退相干機制，最終實現了對反質子自旋的首個相干光譜測量，并保持了長達50秒的自旋相干時間。這標志著首個反物質量子比特的實現。

盡管量子比特是量子計算的核心單元，可通過多種疊加狀態存儲信息，但是由BASE展示的反物質量子比特構成的量子計算機仍然遙不可及。不過，這仍是一項令人振奮的成果，因為此類反物質實驗可能揭示宇宙本身的深層奧秘。

前所未有的精度

新研究首次實現了反物質量子比特，也為在高精度實驗中將完整的相干光譜學方法應用于單個物質或反物質粒子奠定了基礎。新的成果也將幫助BASE在未來的實驗中以至少10倍的精度測量反質子的磁矩，從而徹底改變對重子反物質的研究方式。

#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