Het BASE-samenwerkingsteam van CERN maakte bekend dat ze voor het eerst met succes een ‘antimateriequbit’ hebben voorbereid en gemanipuleerd, waarmee ze ongekende kwantumprecisiemetingen op een enkel antiproton hebben bereikt. Dit resultaat is gepubliceerd in het tijdschrift Nature. In het experiment heeft het team een ​​enkel antiproton in het apparaat gevangen en de spin ervan bijna een minuut lang soepel tussen twee kwantumtoestanden laten schakelen, waardoor een nieuw pad werd geopend om het gedrag van materie en antimaterie met extreem hoge precisie te vergelijken.

Antiprotonen zijn de antimaterie-tegenhanger van protonen. Ze hebben dezelfde massa maar tegengestelde ladingen. Ze hebben ook spin-eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van kleine magneten. De draairichting kan slechts één van twee toestanden aannemen. Het observeren van spintoestanden en hun overgangsprocessen is cruciaal voor kwantumdetectie, metingen met ultrahoge precisie en het testen of materie en antimaterie echt "symmetrisch" zijn volgens de wetten van de natuurkunde, inclusief het basisprincipe van de deeltjesfysica: CPT-symmetrie. Volgens het standaardmodel moeten deeltjes en antideeltjes dezelfde massa en levensduur hebben. Het belangrijkste verschil komt alleen tot uiting in de ladingsgerelateerde eigenschappen. Daarom is het met extreem hoge precisie vergelijken van protonen en antiprotonen item voor item een ​​van de belangrijkste manieren om deze theorie te testen.

Om dit experiment te realiseren, gebruikten de onderzoekers een technologie genaamd ‘coherente kwantumovergangsspectroscopie’ om de veranderingen tussen spintoestanden nauwkeurig te meten en tegelijkertijd de impact van omgevingsgeluid te minimaliseren. Deze technologie is op grote schaal gebruikt in metrologie, kwantuminformatieverwerking, magnetische metingen en precisietests van het standaardmodel. In eerdere experimenten met protonen en deuteronen heeft het maserspectroscopiemetingen met hoge resolutie bereikt onder het niveau van één deel per biljoen.

In het verleden waren dergelijke spectroscopische experimenten vooral gebaseerd op ‘massadeeltjesstatistieken’, maar deze keer heeft het BASE-team een ​​doorbraak bereikt door de methode toe te passen op ‘enkele vrije kernspins’. In het Penning-valsysteem bij lage temperatuur maten onderzoekers eerst de spintoestand van antiprotonen met behulp van het continue Stern-Gerlach-effect, en brachten ze vervolgens over naar een precisieval met een zeer stabiel magnetisch veld. Ze gebruikten kwantumprojectiemetingen om het coherente kwantumgedrag van antiprotonen te genereren en analyseren.

Het experiment observeerde ook voor het eerst duidelijk het Rabi-oscillatiefenomeen in een antiproton-spinsysteem. De zogenaamde Rabi-oscillatie is een proces waarbij een kwantumsysteem periodiek overgaat tussen twee energieniveaus, aangedreven door een extern resonerend elektromagnetisch veld. De frequentie ervan (Rabi-frequentie) hangt af van de intensiteit van de interactie. Dit effect is een fundamenteel hulpmiddel in kwantumcomputers, magnetische resonantie en atoomfysica, omdat het onderzoekers in staat stelt de kwantumtoestanden van atomen, ionen en qubits nauwkeurig te manipuleren.

Bij tijdreeksmetingen behaalde het team een ​​spin-flip-waarschijnlijkheid van meer dan 80% en een spin-coherentietijd van ongeveer 50 seconden. In de spinresonantietest met één deeltje overschreed de spin-flip-waarschijnlijkheid 70% en was de overgangslijnbreedte 16 keer smaller dan eerdere soortgelijke experimenten, wat de meetnauwkeurigheid aanzienlijk verbeterde; de beperkende factor kwam voornamelijk voort uit het decoherentie-effect gerelateerd aan de cyclotronfrequentiemeting. De BASE-samenwerking heeft eerder aangetoond dat de magnetische momenten van protonen en antiprotonen zeer consistent zijn binnen een nauwkeurigheid van enkele delen per miljard, wat aangeeft dat ze bijna volledig symmetrisch zijn wat betreft hun magnetische eigenschappen. Projectleider Stefan Ulmer zei dat in de toekomst, met behulp van deze nieuwe methode, de nauwkeurigheid van de meting van het magnetische antiprotonmoment naar verwachting nog eens 10 tot 100 keer zal worden verbeterd.

Hoewel de term 'qubit' vaak wordt geassocieerd met kwantumcomputers, wezen de onderzoekers erop dat de antimaterie-qubit die deze keer wordt bereikt, zich op korte termijn niet direct zal vertalen in technische of computertechnologietoepassingen. De echte wetenschappelijke waarde ervan ligt in het feit dat natuurkundigen een ongekende nauwkeurigheid en middelen krijgen om de eigenschappen van antimaterie op een fundamentele schaal te onderzoeken en rigoureuzere vergelijkingen te maken met gewone materie, waardoor belangrijke aanwijzingen worden verschaft om uit te leggen waarom het universum bijna volledig wordt gedomineerd door materie, terwijl niet-materie en antimaterie in gelijke mate naast elkaar bestaan.

Barbara Rattage, de eerste auteur van het artikel, onthulde dat het team zijn zinnen heeft gezet op de volgende stap van het BASE-STEP-project: een systeem dat is ontworpen om antiprotonen die in de val zitten over te brengen naar een stillere omgeving met een magnetisch veld. Theoretisch gezien zal dit de spincoherentietijd met ongeveer een orde van grootte verlengen, wat van cruciaal belang is voor het bevorderen van de studie van baryon-antimaterie. Het onderzoeksteam is van mening dat de mensheid, door geavanceerde kwantummanipulatietechnologie te combineren met extreem nauwkeurige experimentele apparatuur, een nieuw tijdperk van precisiemetingen op het gebied van antimaterieonderzoek is binnengegaan en dichter bij het onthullen van de onderliggende oorzaken van de materie-antimaterie-asymmetrie in het universum is gekomen.

leer meer:

CERN, Natuurmagazine