Η επίδειξη του πρώτου κβαντικού bit αντιύλης ανοίγει τον δρόμο για σημαντικά βελτιωμένες δοκιμές των θεμελιωδών συμμετριών της φύσης
Η φυσικός Barbara Latacz εργαζόμενη στο πείραμα BASE (εικόνα: CERN)
Σε μια επιστημονική πρόοδο για την έρευνα της αντιύλης, η συνεργασία BASE στο CERN κατάφερε να διατηρήσει ένα αντιπρωτόνιο – το αντιυλικό αντίστοιχο του πρωτονίου – να ταλαντώνεται ομαλά μεταξύ δύο διαφορετικών κβαντικών καταστάσεων για σχεδόν ένα λεπτό ενώ ήταν παγιδευμένο. Το επίτευγμα, το οποίο αναφέρεται σε άρθρο που δημοσιεύθηκε σήμερα στο περιοδικό Nature, αποτελεί την πρώτη επίδειξη ενός κβαντικού bit αντιύλης και ανοίγει τον δρόμο για σημαντικά βελτιωμένες συγκρίσεις μεταξύ της συμπεριφοράς της ύλης και της αντιύλης.
Σωματίδια όπως το αντιπρωτόνιο, το οποίο έχει την ίδια μάζα αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο από το πρωτόνιο, συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες που μπορούν να «δείχνουν» προς μία από δύο κατευθύνσεις, ανάλογα με την υποκείμενη κβαντομηχανική στροφορμή τους (spin).
Η μέτρηση του τρόπου με τον οποίο αυτές οι λεγόμενες μαγνητικές ροπές αντιστρέφονται, χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία συνεκτικών κβαντικών μεταβάσεων, αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο στην κβαντική ανίχνευση και επεξεργασία πληροφοριών. Επιπλέον, επιτρέπει υψηλής ακρίβειας δοκιμές των θεμελιωδών νόμων της φύσης, συμπεριλαμβανομένης της συμμετρίας φορτίου-παραμορφωτικής συμμετρίας-χρόνου (CPT). Η συμμετρία αυτή ορίζει ότι η ύλη και η αντιύλη συμπεριφέρονται πανομοιότυπα, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με την παρατήρηση ότι η ύλη υπερισχύει σε μεγάλο βαθμό της αντιύλης στο Σύμπαν.
Τα σωματίδια διαθέτουν κβαντικά χαρακτηριστικά που αψηφούν την κοινή λογική, όπως η ικανότητα να παρεμβαίνουν με τον εαυτό τους, όπως έχει αποδειχθεί στο πείραμα της διπλής σχισμής. Οι αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον μπορούν γρήγορα να καταστείλουν αυτές τις παρεμβολές μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως κβαντική αποσυνοχή. Η διατήρηση της συνοχής είναι ουσιώδης για τον έλεγχο και την παρακολούθηση της εξέλιξης των κβαντικών συστημάτων, όπως οι μεταβάσεις μεταξύ των καταστάσεων σπιν ενός μοναδικού αντιπρωτονίου.
Αν και συνεκτικές κβαντικές μεταβάσεις έχουν παρατηρηθεί στο παρελθόν σε μεγάλες συλλογές σωματιδίων και σε παγιδευμένα ιόντα, δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ για μία μοναδική ελεύθερη πυρηνική μαγνητική ροπή – παρά το γεγονός ότι η τελευταία αναφέρεται συχνά σε συγγράμματα φυσικής. Η συνεργασία BASE το πέτυχε αυτό τώρα στο εργοστάσιο αντιύλης του CERN.
Κατά μία έννοια, το κατόρθωμα μπορεί να παρομοιαστεί με το να σπρώχνεις ένα παιδί σε μια κούνια. Με το σωστό σπρώξιμο, η κούνια αιωρείται μπρος-πίσω σε τέλειο ρυθμό. Τώρα φανταστείτε ότι η κούνια είναι ένα μοναδικό παγιδευμένο αντιπρωτόνιο που ταλαντώνεται μεταξύ των καταστάσεων σπιν «επάνω» και «κάτω» με ομαλό, ελεγχόμενο ρυθμό. Η συνεργασία BASE το πέτυχε αυτό χρησιμοποιώντας ένα σύνθετο σύστημα ηλεκτρομαγνητικών παγίδων για να δώσει στο αντιπρωτόνιο το κατάλληλο «σπρώξιμο» τη σωστή στιγμή. Και επειδή αυτή η κούνια έχει κβαντικές ιδιότητες, το σπιν-δυφίο αντιύλης μπορεί ακόμη και να «δείχνει» σε διαφορετικές κατευθύνσεις ταυτόχρονα όταν δεν παρατηρείται.
Το πείραμα BASE μελετά τα αντιπρωτόνια που παράγονται στο εργοστάσιο αντιύλης του CERN, αποθηκεύοντάς τα σε ηλεκτρομαγνητικές παγίδες Penning και τροφοδοτώντας τα ένα προς ένα σε ένα δεύτερο σύστημα πολλαπλών παγίδων προκειμένου, μεταξύ άλλων, να μετρηθούν και να μεταβληθούν οι καταστάσεις του σπιν τους. Χρησιμοποιώντας αυτή τη διάταξη, η συνεργασία BASE έχει ήδη καταφέρει να αποδείξει ότι τα μέτρα των μαγνητικών ροπών του πρωτονίου και του αντιπρωτονίου είναι ταυτόσημα με ακρίβεια λίγων μερών στο δισεκατομμύριο. Οποιαδήποτε μικρή διαφορά στα μεγέθη τους θα παραβίαζε τη συμμετρία φορτίου-παραμορφωτικής συμμετρίας-χρόνου και θα υποδείκνυε νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής.
Ωστόσο, αυτό το προηγούμενο αποτέλεσμα βασιζόταν σε μια ασυνεκτική φασματοσκοπική τεχνική, στην οποία οι κβαντικές μεταβάσεις διαταράσσονταν από διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου και παρεμβολές στις μετρήσεις. Σε μια σημαντική αναβάθμιση του πειράματος, αυτοί οι μηχανισμοί αποσυνοχής καταστάλθηκαν και εξαλείφθηκαν, καταλήγοντας στην πρώτη συνεκτική φασματοσκοπία του σπιν ενός αντιπρωτονίου. Η ομάδα του BASE το πέτυχε αυτό για μια χρονική περίοδο – γνωστή ως χρόνος συνοχής του σπιν – των 50 δευτερολέπτων.
«Αυτό αντιπροσωπεύει το πρώτο κβαντικό bit αντιύλης και ανοίγει την προοπτική εφαρμογής ολόκληρου του συνόλου των μεθόδων συνεκτικής φασματοσκοπίας σε μεμονωμένα συστήματα ύλης και αντιύλης σε πειράματα υψηλής ακρίβειας», εξηγεί ο εκπρόσωπος της συνεργασίας BASE, Stefan Ulmer. «Το πιο σημαντικό είναι ότι θα βοηθήσει το BASE να πραγματοποιήσει μελλοντικές μετρήσεις της μαγνητικής ροπής του αντιπρωτονίου με 10 έως 100 φορές μεγαλύτερη ακρίβεια».
Αν και τα κβαντικά bit αποτελούν τα βασικά δομικά στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών, επιτρέποντας την αποθήκευση πληροφορίας όχι μόνο σε μία από δύο καταστάσεις αλλά και μέσω μιας δυνητικά απεριόριστης υπέρθεσης αυτών των καταστάσεων, το κβαντικό bit αντιύλης που επιδείχθηκε από το BASE δεν είναι πιθανό να έχει άμεσες εφαρμογές πέρα από τη θεμελιώδη φυσική.
Ένα ακόμη μεγαλύτερο άλμα στην ακρίβεια των μετρήσεων του αντιπρωτονίου αναμένεται μέσω του προγράμματος BASE-STEP, το οποίο σχεδιάστηκε ώστε να επιτρέπει τη μεταφορά παγιδευμένων αντισωματιδίων οδικώς σε μαγνητικά περιβάλλοντα πιο «ήσυχα» από εκείνα του εργοστασίου αντιύλης. «Μόλις τεθεί πλήρως σε λειτουργία, το νέο μας σύστημα εκτός σύνδεσης ακριβείας με παγίδες Penning, το οποίο θα τροφοδοτείται με αντιπρωτόνια μεταφερόμενα μέσω του BASE-STEP, θα μπορούσε να μας επιτρέψει να επιτύχουμε χρόνους συνοχής του σπιν ακόμη και δέκα φορές μεγαλύτερους από αυτούς των τρεχόντων πειραμάτων, κάτι που θα αλλάξει τα δεδομένα στην έρευνα της βαρυονικής αντιύλης», δηλώνει η κύρια συγγραφέας του άρθρου, Barbara Latacz.
