CERN добрался до предела материи. Кубит на антипротоне продержался 50 секунд

Физики из CERN сделали важный шаг в изучении антиматерии и вплотную подошли к области квантовых вычислений. Команда эксперимента BASE впервые продемонстрировала антиматериальный кубит — элементарную единицу информации в квантовом компьютере, роль которого в этом случае исполнил антипротон. Это антипод обычного протона, зафиксированный в колебании между квантовыми состояниями со спином вверх и вниз. Колебание продолжалось 50 секунд и стало рекордно устойчивым для антиматерии в условиях лаборатории.

Исследование опубликовано 23 июля в журнале Nature. Учёные применили метод когерентной спектроскопии квантовых переходов, позволяющий с высокой точностью измерять магнитный момент частицы. Для этого они доставили антипротоны из антиматериальной фабрики CERN и поместили их в специальную ловушку Пеннинга, где магнитные поля удерживают частицы. Затем каждый антипротон по отдельности подвергался манипуляциям для управления его квантовым состоянием.

Квантовые системы крайне чувствительны к внешним воздействиям, любое колебание может разрушить их хрупкую суперпозицию. Ранее, в 2017 году, эта же команда подтвердила, что магнитные моменты протонов и антипротонов практически идентичны. Однако в новом эксперименте учёным удалось существенно усовершенствовать установку и добиться подавления декогеренции — разрушения квантового состояния. Это и позволило зафиксировать устойчивое квантовое колебание антипротона, чего раньше никогда не удавалось достичь для отдельного ядерного магнитного момента. Ранее такие эффекты наблюдались только в коллективных системах.

Руководитель исследования Барбара Латач призналась, что открытие стало для неё одним из лучших моментов в жизни. По её словам, на модернизацию установки ушло пять лет упорной работы, и команда буквально открыла шампанское в день успешного наблюдения. Представитель проекта BASE Штефан Ульмер отметил, что это достижение открывает возможность применять точные методы когерентной спектроскопии к системам из отдельных частиц материи и антиматерии.

Несмотря на впечатляющий результат, сами учёные не считают, что антиматериальные кубиты найдут практическое применение в квантовых компьютерах в ближайшее время. Барбара Латач объяснила, что производство и хранение антиматерии гораздо сложнее, чем обычной материи, а фундаментальные свойства у них совпадают. Тем не менее, если в будущем выяснится, что антиматерия ведёт себя иначе, такие кубиты могут обрести практический смысл.

Команда уже работает над следующим этапом проекта, получившим название BASE-STEP. Он позволит ещё точнее измерять свойства антипротонов и может увеличить точность измерения их магнитного момента в десять, а в дальнейшем — и в сто раз.

Хотя о прикладных технологиях вроде квантовых компьютеров или атомных часов пока говорить рано, само открытие даёт мощный толчок фундаментальной науке. Ответы на главные вопросы могут занять годы, но, как сказал физик Шон Кэрролл по поводу другого недавнего открытия CERN, даже маленькая часть важна, когда перед тобой такая большая головоломка.