物理学家首次创造反物质量子位，量子世界更加奇妙

欧洲核子研究中心（CERN）本月在反物质领域取得了又一项突破，他们成功创造了首个反物质量子位，为未来更奇特的量子实验铺平了道路。

对于那些关注存在物理学的人们来说，或许还记得CERN最近在反物质方面取得的突破。目前物理学界存在一个未解之谜，那就是我们的宇宙中物质多于反物质，这与大多数理论预测相悖。因此，科学家们希望能解释清楚这其中的原因。

CERN宣布了在研究反物质方面的又一项重大进展，这次的成就更进一步，涉及到了量子计算领域。7月23日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，CERN的重子反重子对称实验（BASE）合作组织宣布，他们首次演示了反物质量子位，即量子计算机的最小信息单位。

这个量子位是一个反质子，是质子的反物质对应物，它被捕获在一个奇特的量子摆动中，在“向上”和“向下”的自旋状态之间以完美的节奏来回摆动，这种振荡持续了50秒。

研究人员表示，实现这一结果的技术实力代表着我们对反物质理解的重大飞跃。为了进行这项实验，研究团队应用了一种名为相干量子跃迁光谱的技术，该技术以惊人的精度测量粒子的磁矩，即其在磁场中的行为。

首先，研究小组从CERN的反物质工厂运来了一些反质子，并将这些粒子捕获在电磁彭宁阱中——这是一种磁场的叠加。接下来，他们在同一块磁铁内部设置了第二个多阱，提取出单个的反质子，以便在过程中测量和调整粒子的自旋状态。

量子态非常脆弱，容易受到外界干扰。一个不恰当的推动力可能会立即导致它们螺旋式地衰减，从而失去系统中所包含的宝贵信息。

量子系统的这一根本局限性是BASE合作组织的主要关注点。该组织曾在2017年利用与新实验类似的装置证实，质子和反质子具有几乎相同的磁矩。

研究团队对其技术进行了重大改进，特别关注于开发抑制和消除退相干所需的机制。这些努力得到了回报：反质子进行了长达50秒的稳定量子摆动——这种运动类似于量子位在状态叠加中的存在方式，理论上这可以使它们存储指数级的信息。此外，它还标志着物理学家首次在单个自由核磁矩中观察到这种现象，而之前的实验只在大量的粒子群中观察到过。

该研究的主要作者、CERN物理学家Barbara Latacz在一封电子邮件中表示：“我们立即打开了一瓶香槟——那是我一生中最美好的时刻之一！我们花了五年时间，投入了大量精力来升级一项已经非常复杂的实验，使其达到可以观察相干自旋态光谱的状态。当你和你同事的努力得到回报时，感觉非常值得。”

BASE发言人Stefan Ulmer在一份声明中说：“这代表着首个反物质量子位，并开启了将整套相干光谱方法应用于精密实验中单个物质和反物质系统的前景。”新媒网跨境了解到，这项突破为量子计算领域带来了新的可能性。

不过，研究团队并不认为新的结果会很快将反物质量子位引入量子计算领域。

Latacz解释说：“目前使用（反物质量子位）来进行量子计算是没有意义的，因为简单地说，与普通物质相比，与反物质的生产和存储相关的工程要困难得多。”她补充说，由于已知物质和反物质具有基本相同的性质，因此选择后者在实践中没有意义。“然而，如果未来（我们发现）反物质的行为与物质不同，那么考虑这一点可能会很有意思。”

Latacz表示，研究团队希望进行更多的改进，这些改进将在不久的将来实现。对BASE的升级——称为BASE-STEP——将大大提高我们以更高的精度研究反质子的能力，并使我们能够“将反质子的磁矩测量精度提高至少10倍，从长远来看甚至可以提高100倍”。

这项新的突破可能有助于量子计算、原子钟和其他领域的工程进步。但正如研究人员所强调的那样，我们不应期望在短期内看到此类技术应用。尽管如此，这一结果本身为基础物理学提供了一些有趣的启示——这些问题可能需要数年才能解答，但正如物理学家Sean Carroll在另一项CERN研究结果中所说的那样，“好吧，这是更大的谜题中的一小部分——但你知道，每个部分都很重要。”

新媒网跨境认为，这项研究成果展示了科学探索的无限可能，也体现了科研人员的执着与创新。

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