科技日報記者 張佳欣

歐洲核子研究中心（CERN）的BASE合作組23日在《自然》雜志上發(fā)表了一項突破性成果：首次讓一個反質(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。這標志著首個反物質(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)對應粒子，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”兩個方向?？茖W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，也為檢驗自然界基本法則提供了精密工具，特別是電荷－宇稱－時間（CPT）對稱性。這種對稱性規(guī)定，物質(zhì)與反物質(zhì)在所有物理行為上應完全一致，然而科學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，但還從未在一個自由的、具備核磁矩的單一粒子上實現(xiàn)過，盡管這種粒子在物理學教科書中頻頻出現(xiàn)。現(xiàn)在，團隊在CERN的反物質(zhì)工廠中首次做到了這一點。他們采用相干量子躍遷光譜技術(shù)，讓一個被困于電磁阱中的單個反質(zhì)子在兩個自旋態(tài)之間來回躍遷，并保持量子相干狀態(tài)長達50秒。這一“相干時間”創(chuàng)下了反物質(zhì)研究中的新紀錄。

團隊將這一過程形象地比作“推秋千”：在恰當時機給予粒子適度“推動”，便可使其在兩個狀態(tài)間以節(jié)奏均勻、連貫的方式來回擺動。不同于傳統(tǒng)的非相干測量方法，該實驗顯著抑制了磁場波動和環(huán)境干擾帶來的“量子退相干”效應，使得反質(zhì)子的量子態(tài)得以保持更久，從而實現(xiàn)了更加穩(wěn)定和精準的測量。

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

總編輯圈點

這是科學家第一次成功地在一個反質(zhì)子上實現(xiàn)了穩(wěn)定的量子狀態(tài)切換，并保持了將近一分鐘。這聽起來可能很抽象，但其實意義非常大。反質(zhì)子這個“小磁鐵”有兩個狀態(tài)?？茖W家用一種精密的技術(shù)，讓它在這兩個狀態(tài)之間來回穩(wěn)定地切換——這就像在操控一個“反物質(zhì)量子開關(guān)”。不但能更精確地研究反物質(zhì)的性質(zhì)，看看它和普通物質(zhì)到底是不是完全一樣，還能進一步深入地探索宇宙之謎，也對量子計算、高精度測量等技術(shù)有重要推動作用。