Учёным из эксперимента BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) при ЦЕРН впервые удалось создать и стабилизировать квантовый бит, сформированный из антипротона — антиматериального аналога протона с противоположным зарядом. Частицу удалось удерживать в когерентном квантовом состоянии, при котором её спиновая ориентация плавно менялась между двумя возможными конфигурациями, в течение рекордных 50 секунд.
Ключом к успеху стала ловушка Пеннинга — особая система из электромагнитных полей, позволяющая надёжно изолировать заряженные частицы от внешних воздействий. В таких условиях антипротон ведёт себя как миниатюрный квантовый маятник, переходящий между спиновыми состояниями "вверх" и "вниз" под действием точно рассчитанных радиочастотных импульсов. Подобная динамика представляет собой когерентный квантовый процесс — краеугольный элемент любой квантовой технологии, от сенсоров до вычислений.
Антипротоны, обладающие спином, реагируют на внешние магнитные поля подобно микроскопическим магнитам. Однако в обычной среде их квантовые состояния быстро разрушаются из-за взаимодействия с шумами — магнитными, тепловыми и электростатическими. В эксперименте BASE исследователи добились практически полного подавления таких разрушительных факторов. Это позволило удерживать когерентность спинового состояния антипротона на протяжении 50 секунд — рекордное значение для подобных измерений и прямой показатель уровня изоляции и точности в управлении частицей. Время когерентности — один из ключевых параметров, ограничивающих возможности квантовых экспериментов, и здесь оно было увеличено в разы по сравнению с предыдущими попытками.
Защита — это не опция. Это необходимость.
Подпишись на нас
Для достижения такого контроля команда использовала когерентную спектроскопию — метод, при котором квантовые переходы инициируются синхронизированными радиоимпульсами. Сами исследователи сравнивают этот процесс с аккуратным раскачиванием качелей: при точных "толчках" в нужный момент система сохраняет ритм и предсказуемость. Только в данном случае речь идёт об антипротоне, раскачиваемом между двумя квантовыми состояниями, причём в условиях суперпозиции — квантового эффекта, при котором частица одновременно пребывает в нескольких состояниях, пока её не измерят.
До этого момента все попытки измерения магнитного момента антипротона опирались на некогерентные методы, чувствительные к шумам и менее точные. Новый подход меняет правила игры: теперь можно напрямую управлять состоянием частицы и проводить высокоточные измерения. Как подчёркивает доктор Стефан Ульмер, инициатор и руководитель проекта BASE, применение когерентной спектроскопии в будущих экспериментах позволит увеличить точность измерения магнитного момента антипротона в 10–100 раз. Это критически важно для проверки симметрии CPT — фундаментального принципа Стандартной модели, согласно которому свойства материи и антиматерии должны быть полностью идентичными. Любое зафиксированное отклонение от этой симметрии способно указать на существование новой физики.
Сам эксперимент состоял из нескольких этапов. Сначала антипротон изолировали в многоуровневой системе ловушек, обеспечивающей транспортировку, управление и измерение. Затем последовательными радиочастотными импульсами учёные запускали когерентные переходы между спиновыми состояниями. Критическим фактором успеха стало устранение всех значимых источников декогеренции, включая нестабильность магнитного поля и паразитные тепловые колебания. В результате удалось впервые зафиксировать устойчивую когерентную динамику античастицы в режиме, доступном для наблюдения и анализа.
Несмотря на то, что антиматериальный кубит пока не используется в квантовых вычислениях, его значение для фундаментальных исследований трудно переоценить. Он может стать уникальным инструментом для сверхточной спектроскопии, создания новых квантовых сенсоров и экспериментов по проверке пределов применимости Стандартной модели.
Исследовательская группа уже работает над продолжением проекта в рамках инициативы BASE-STEP — нового комплекса, предназначенного для перемещения антипротонов в ультранизкошумовые среды. Как сообщила доктор Барбара Латач, ведущий автор публикации, это может увеличить время когерентности до 500 секунд. Такой прорыв откроет возможность для самого глубокого и детального изучения магнитных свойств античастиц за всю историю физики.
Итак, наука впервые получила не только прямое представление о квантовой динамике одиночного антипротона, но и действенные инструменты для её управления. Это открытие не просто углубляет наше понимание антиматерии — оно может стать отправной точкой к раскрытию фундаментальных законов устройства Вселенной.