Впервые создан квантовый бит из антиматерии

Физик Барбара Латач работает в эксперименте BASE. Автор: CERN

В прорывном достижении для исследований антиматерии коллаборация BASE в ЦЕРНе смогла удерживать антипротон — аналог протона из антиматерии — в когерентных колебаниях между двумя квантовыми состояниями почти минуту. Результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature, представляют собой первую демонстрацию квантового бита (кубита) из антиматерии и открывают путь к более точным сравнениям свойств материи и антиматерии.

Частицы, такие как антипротон (имеющий ту же массу, но противоположный заряд протону), ведут себя как миниатюрные магниты, способные «указывать» в одном из двух направлений в зависимости от своего квантового спина.

Измерение «переворотов» этих магнитных моментов с помощью метода когерентной квантовой переходной спектроскопии — мощный инструмент в квантовых технологиях. Это также позволяет проводить сверхточные проверки фундаментальных законов природы, включая CPT-симметрию, которая требует идентичного поведения материи и антиматерии, несмотря на доминирование материи во Вселенной.

Квантовые свойства частиц, такие как способность интерферировать сами с собой (как в опыте с двумя щелями), легко разрушаются взаимодействиями с окружением — этот процесс называется квантовой декогеренцией. Сохранение когерентности критически важно для управления квантовыми системами, например переходами между спиновыми состояниями антипротона.

Экспериментальная установка. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09323-1

Эксперимент BASE изучает антипротоны, созданные на «фабрике антиматерии» ЦЕРНа, удерживая их в электромагнитных ловушках Пеннинга и последовательно перемещая в многоуровневую систему для измерения и изменения их спиновых состояний.

Ранее BASE уже показала, что магнитные моменты протона и антипротона идентичны с точностью до миллиардных долей. Любое расхождение нарушило бы CPT-симметрию и указало бы на новую физику за пределами Стандартной модели.

Однако прежние измерения использовали некогерентную спектроскопию, подверженную помехам. Модернизированная установка подавила декогеренцию, позволив впервые наблюдать когерентные спиновые переходы антипротона с временем когерентности 50 секунд.

«Это первый кубит из антиматерии, открывающий путь для применения методов когерентной спектроскопии к отдельным частицам материи и антиматерии», — поясняет представитель BASE Стефан Ульмер.

Хотя кубиты — основа квантовых компьютеров, антиматериальный кубит BASE пока останется инструментом фундаментальной физики. Ещё большей точности обещает проект BASE-STEP, предназначенный для транспортировки античастиц в «более стабильные» магнитные среды.

«Наша новая система ловушек с транспортировкой антипротонов может увеличить время когерентности в 10 раз, что станет прорывом в исследовании барионной антиматерии», — говорит ведущий автор работы Барбара Латач.

Дополнительная информация: B. M. Latacz et al, Coherent spectroscopy with a single antiproton spin, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09323-1

Источник: CERN

Интересный факт: Антиматерия — одна из самых дорогих субстанций на Земле. По оценкам NASA, производство 1 грамма антивещества потребовало бы энергии, эквивалентной ~25 миллиардам киловатт-часов, что сопоставимо с годовым потреблением электроэнергии небольшой страны.