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大爆炸理論認(rèn)為，宇宙從大約138億年前的一場(chǎng)超級(jí)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(duì)產(chǎn)生粒子(物質(zhì))與反粒子(反物質(zhì))——這種對(duì)稱性已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，例如正電子與電子總是成對(duì)出現(xiàn)?。

那么基于對(duì)稱性作推演，隨著宇宙膨脹、冷卻，物質(zhì)與反物質(zhì)理應(yīng)一同湮滅，只留下純粹的能量。但現(xiàn)實(shí)與大多數(shù)理論預(yù)測(cè)相悖，如今宇宙中的物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)。怎會(huì)如此？這成了物理學(xué)界的重大謎題之一。

科學(xué)家一直試圖解釋其成因及機(jī)制。最近，歐洲核子研究組織(CERN)在反物質(zhì)領(lǐng)域取得重大突破，與此同時(shí)也將創(chuàng)新邊界拓展至量子計(jì)算。

根據(jù)7月23日《自然》雜志發(fā)表的論文，CERN的重子、反重子對(duì)稱性實(shí)驗(yàn)(BASE)項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)反物質(zhì)量子比特(antimatter qubit)的演示。

量子比特是量子計(jì)算機(jī)的最小信息單元。這里的反物質(zhì)量子比特是質(zhì)子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)體，即反質(zhì)子，在實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)了奇特的量子搖擺：反質(zhì)子以完美節(jié)律在“上旋”與“下旋”狀態(tài)之間往復(fù)振蕩，持續(xù)了50秒。研究團(tuán)隊(duì)宣稱，取得該成果的技術(shù)突破標(biāo)志著人類對(duì)反物質(zhì)認(rèn)知的重大飛躍。

上圖所示為歐洲核子研究組織實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的反物質(zhì)捕獲系統(tǒng)AEgIS(Anti-Matter Encapsulation and Gravitational Isolation System)；此類實(shí)驗(yàn)利用CERN反質(zhì)子減速器開展反物質(zhì)研究

BASE實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了一種名為“相干量子躍遷光譜學(xué)”的技術(shù)，該技術(shù)能以超乎想象的精度測(cè)量粒子的磁矩，即粒子在磁場(chǎng)里的行為特征。團(tuán)隊(duì)首先從CERN的反物質(zhì)工廠引入若干反質(zhì)子，令其陷俘于彭寧阱，受特定磁場(chǎng)疊加狀態(tài)的約束；接著，他們又在同一磁體內(nèi)設(shè)置了第二個(gè)多級(jí)阱，提取單個(gè)反質(zhì)子以對(duì)其自旋態(tài)作實(shí)時(shí)測(cè)量并調(diào)控。

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

量子領(lǐng)域的退相干是指量子系統(tǒng)因與環(huán)境相互作用而逐漸喪失量子相干性，最終表現(xiàn)出經(jīng)典行為。量子相干性指量子系統(tǒng)保持不同量子態(tài)間相位關(guān)聯(lián)的特性，使量子態(tài)能以疊加形式穩(wěn)定存在，從而實(shí)現(xiàn)量子干涉與并行計(jì)算等獨(dú)特量子效應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)做出了重大技術(shù)創(chuàng)新，尤其針對(duì)退相干效應(yīng)開發(fā)出抑制和消除機(jī)制。努力付出終有回報(bào)，如前文所述，反質(zhì)子實(shí)現(xiàn)持續(xù)50秒的穩(wěn)定量子振蕩——這種運(yùn)動(dòng)類似于量子比特的疊加態(tài)，理論上可存儲(chǔ)指數(shù)級(jí)信息量。更值得注意的是，這是學(xué)界首次在單個(gè)自由核磁矩中觀測(cè)到該現(xiàn)象，以往實(shí)驗(yàn)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(xué)家芭芭拉·拉塔奇(Barbara Latacz)激動(dòng)不已：“我們當(dāng)場(chǎng)開香檳慶祝，那這是我人生最輝煌的一大時(shí)刻！歷時(shí)五年全力以赴的技術(shù)升級(jí)，我們才將這個(gè)本就極其精密的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)至能觀測(cè)相干自旋態(tài)光譜的水平?！?/p>

BASE項(xiàng)目發(fā)言人、德國粒子物理學(xué)家斯特凡·烏爾默(Stefan Ulmer)在聲明中強(qiáng)調(diào)：“這是反物質(zhì)量子比特的首次實(shí)現(xiàn)，讓我們開始設(shè)想在精密實(shí)驗(yàn)里應(yīng)用全套相干光譜方法以研究單粒子物質(zhì)/反物質(zhì)系統(tǒng)。”

BASE項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的芭芭拉·拉塔奇正開展工作

不過研究團(tuán)隊(duì)也坦言，新成果短期內(nèi)難以推動(dòng)反物質(zhì)量子比特在量子計(jì)算領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

拉塔奇解釋稱：“目前將反物質(zhì)量子比特用于量子計(jì)算機(jī)并不現(xiàn)實(shí)。簡單來說，生產(chǎn)與儲(chǔ)存反物質(zhì)的工程難度遠(yuǎn)大于正常物質(zhì)。既然物質(zhì)與反物質(zhì)具有相同的基本屬性，選擇后者似乎缺乏實(shí)際意義；但若未來發(fā)現(xiàn)二者存在行為差異，反物質(zhì)的價(jià)值或許就要被重視了?！?/p>

根據(jù)拉塔奇的說法，團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃做出更多技術(shù)改進(jìn)，并盡快落實(shí)相關(guān)工作。BASE的升級(jí)工程名為“BASE-STEP”，有望大幅提高研究反質(zhì)子的精度——“讓反質(zhì)子磁矩測(cè)量精度至少升至10倍水平，從長遠(yuǎn)來看甚至可達(dá)100倍”。

BASE項(xiàng)目的新突破或?qū)⑼苿?dòng)量子計(jì)算、原子鐘等領(lǐng)域的工程進(jìn)展。盡管相關(guān)技術(shù)應(yīng)用短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)，但反物質(zhì)量子比特的節(jié)奏搖擺已經(jīng)帶給基礎(chǔ)物理學(xué)以重要啟示，其中許多問題可能需要多年才會(huì)有答案。

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