反物质量子比特首次演示

科技日报北京7月24日电 （记者张佳欣）欧洲核子研究中心（CERN）的BASE合作组23日在《自然》杂志上发表了一项突破性成果：首次让一个反质子在量子“自旋上”与“自旋下”状态之间持续稳定地振荡了近一分钟。这标志着首个反物质量子比特的诞生，是反物质研究领域取得的一次重大突破，为更精准地比较物质与反物质的行为差异开辟了新路径。

反质子是质子的反物质对应粒子，质量相同但电荷相反。它们就像微小的条形磁铁，可以因量子自旋的不同朝向“上”或“下”两个方向。科学家可利用“相干量子跃迁光谱”技术，测量这些所谓“磁矩”翻转的方式。这项技术不仅在量子传感和量子信息处理中具有重要作用，也为检验自然界基本法则提供了精密工具，特别是电荷—宇称—时间（CPT）对称性。这种对称性规定，物质与反物质在所有物理行为上应完全一致，然而科学家观察到的宇宙却几乎完全由物质构成，这与理论存在明显矛盾。

目前，相干量子跃迁已在大量粒子集合和束缚离子中观察到，但还从未在一个自由的、具备核磁矩的单一粒子上实现过，尽管这种粒子在物理学教科书中频频出现。现在，团队在CERN的反物质工厂中首次做到了这一点。他们采用相干量子跃迁光谱技术，让一个被困于电磁阱中的单个反质子在两个自旋态之间来回跃迁，并保持量子相干状态长达50秒。这一“相干时间”创下了反物质研究中的新纪录。

团队将这一过程形象地比作“推秋千”：在恰当时机给予粒子适度“推动”，便可使其在两个状态间以节奏均匀、连贯的方式来回摆动。不同于传统的非相干测量方法，该实验显著抑制了磁场波动和环境干扰带来的“量子退相干”效应，使得反质子的量子态得以保持更久，从而实现了更加稳定和精准的测量。

BASE合作组发言人斯特凡·乌尔默表示，这是人类首次实现反物质量子比特，为今后在单个物质和反物质粒子上开展更精准的相干光谱实验奠定了基础。最重要的是，这将使研究人员在未来实验中测量反质子磁矩的精度提高10至100倍。

【总编辑圈点】

科学家第一次成功地在一个反质子上实现了稳定的量子状态切换，并保持了将近一分钟。这听起来可能很抽象，但其实意义非常大。反质子这个“小磁铁”有两个状态。科学家用一种精密技术，让它在这两个状态之间来回稳定地切换——就像在操控一个“反物质量子开关”。这不但能更精确地研究反物质的性质，看看它和普通物质到底是不是完全一样，还能进一步深入地探索宇宙之谜，也对量子计算、高精度测量等技术有重要推动作用。