物理學界首次實現反物質量子比特

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大爆炸理論認為，宇宙從大約138億年前的一場超級爆炸中誕生后，在初始階段有著極高的能量密度和溫度，而能量不斷地成對產生粒子(物質)與反粒子(反物質)——這種對稱性已經被實驗驗證，例如正電子與電子總是成對出現?。

那么基于對稱性作推演，隨著宇宙膨脹、冷卻，物質與反物質理應一同湮滅，只留下純粹的能量。但現實與大多數理論預測相悖，如今宇宙中的物質遠多于反物質。怎會如此？這成了物理學界的重大謎題之一。

科學家一直試圖解釋其成因及機制。最近，歐洲核子研究組織(CERN)在反物質領域取得重大突破，與此同時也將創新邊界拓展至量子計算。

根據7月23日《自然》雜志發表的論文，CERN的重子、反重子對稱性實驗(BASE)項目首次實現反物質量子比特(antimatter qubit)的演示。

量子比特是量子計算機的最小信息單元。這里的反物質量子比特是質子的反物質對應體，即反質子，在實驗中呈現了奇特的量子搖擺：反質子以完美節律在“上旋”與“下旋”狀態之間往復振蕩，持續了50秒。研究團隊宣稱，取得該成果的技術突破標志著人類對反物質認知的重大飛躍。

上圖所示為歐洲核子研究組織實驗項目中的反物質捕獲系統AEgIS(Anti-Matter Encapsulation and Gravitational Isolation System)；此類實驗利用CERN反質子減速器開展反物質研究

BASE實驗團隊應用了一種名為“相干量子躍遷光譜學”的技術，該技術能以超乎想象的精度測量粒子的磁矩，即粒子在磁場里的行為特征。團隊首先從CERN的反物質工廠引入若干反質子，令其陷俘于彭寧阱，受特定磁場疊加狀態的約束；接著，他們又在同一磁體內設置了第二個多級阱，提取單個反質子以對其自旋態作實時測量并調控。

量子態極為脆弱，極易受外界干擾。任何擾動都可能使系統瞬間趨于退相干，后果則是物理學家心心念念的寶貴信息無跡可尋。這種量子系統的固有缺陷正是BASE項目最關切的問題；早在2017年，他們就采用類似裝置證實了質子與反質子具有幾乎完全一致的磁矩。

量子領域的退相干是指量子系統因與環境相互作用而逐漸喪失量子相干性，最終表現出經典行為。量子相干性指量子系統保持不同量子態間相位關聯的特性，使量子態能以疊加形式穩定存在，從而實現量子干涉與并行計算等獨特量子效應。

研究團隊做出了重大技術創新，尤其針對退相干效應開發出抑制和消除機制。努力付出終有回報，如前文所述，反質子實現持續50秒的穩定量子振蕩——這種運動類似于量子比特的疊加態，理論上可存儲指數級信息量。更值得注意的是，這是學界首次在單個自由核磁矩中觀測到該現象，以往實驗只能從大量粒子群里看到類似效果。

《自然》論文的第一作者、CERN物理學家芭芭拉·拉塔奇(Barbara Latacz)激動不已：“我們當場開香檳慶祝，那這是我人生最輝煌的一大時刻！歷時五年全力以赴的技術升級，我們才將這個本就極其精密的實驗改進至能觀測相干自旋態光譜的水平。”

BASE項目發言人、德國粒子物理學家斯特凡·烏爾默(Stefan Ulmer)在聲明中強調：“這是反物質量子比特的首次實現，讓我們開始設想在精密實驗里應用全套相干光譜方法以研究單粒子物質/反物質系統。”

BASE項目團隊的芭芭拉·拉塔奇正開展工作

不過研究團隊也坦言，新成果短期內難以推動反物質量子比特在量子計算領域的實際應用。

拉塔奇解釋稱：“目前將反物質量子比特用于量子計算機并不現實。簡單來說，生產與儲存反物質的工程難度遠大于正常物質。既然物質與反物質具有相同的基本屬性，選擇后者似乎缺乏實際意義；但若未來發現二者存在行為差異，反物質的價值或許就要被重視了。”

根據拉塔奇的說法，團隊還計劃做出更多技術改進，并盡快落實相關工作。BASE的升級工程名為“BASE-STEP”，有望大幅提高研究反質子的精度——“讓反質子磁矩測量精度至少升至10倍水平，從長遠來看甚至可達100倍”。

BASE項目的新突破或將推動量子計算、原子鐘等領域的工程進展。盡管相關技術應用短期內難以實現，但反物質量子比特的節奏搖擺已經帶給基礎物理學以重要啟示，其中許多問題可能需要多年才會有答案。

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