Квантовый кубит из анти-материи

Первый антиматериальный кубит поможет в поиске различий между материей и антиматерией

Оригинал статьи

Физики создали первый в мире кубит из антиматерии — шаг к разгадке различий между материей и антиматерией

Впервые в истории учёные создали квантовый бит — кубит — из антиматерии.
Исследователи использовали магнитные поля, чтобы поймать одиночный антипротон — антиматериальный аналог протона, содержащегося в атомах.
Им удалось удерживать его и измерять скорость изменения его спина почти в течение минуты.
Результаты опубликованы 23 июля в журнале Nature.

Кубит из антиматерии: физика на грани невозможного

Хотя до квантовых компьютеров на антиматериальных кубитах ещё очень далеко — и их создание будет намного сложнее, чем даже существующих квантовых машин из обычной материи —
сам факт этого эксперимента вызывает восторг:
он открывает новый путь к пониманию фундаментальных различий между материей и антиматерией,
а значит — к ответу на один из величайших космических вопросов:
почему наша Вселенная состоит из материи, если антиматерия должна была существовать в равных количествах?

Как работает антиматериальный кубит

Спин частицы может находиться в состоянии «вверх» или «вниз», как бит в компьютере может быть «0» или «1».
Но в отличие от обычных битов, спин антипротона может находиться в суперпозиции —
быть одновременно и вверх, и вниз, и во всех промежуточных комбинациях.
Именно это свойство делает кубиты уникальными и обещает колоссальное ускорение вычислений в квантовых системах будущего.

Контроль над антиматерией — почти фантастика

По словам физика Винченцо Ваньони из Итальянского института ядерной физики (INFN),
который не участвовал в исследовании, эксперимент продемонстрировал
«беспрецедентный уровень контроля над антиматерией».

«Это стало возможным благодаря разработке высокоэффективных магнитных ловушек,
способных удерживать антипротоны “живыми”, не давая им аннигилировать при контакте с материей»,
— пояснил учёный.
«До “криволинейных двигателей” из Star Trek нам ещё далеко,
но это — самое близкое к ним достижение, созданное на Земле», — добавил он.

Эксперимент не только открывает новую страницу в квантовой физике,
но и сближает нас с пониманием самой природы Вселенной —
почему после Большого взрыва материя победила антиматерию,
и возможно ли когда-нибудь использовать антиматерию не только для экспериментов, но и как источник энергии или вычислений.

Первый антиматериальный кубит может приблизить физиков к разгадке главной тайны Вселенной — почему существует материя, а не антиматерия

Отложив в сторону фантастические мечты о двигателях из Star Trek, учёные отмечают, что это открытие может помочь объяснить, почему наша Вселенная состоит из материи,
а не из равных частей материи и антиматерии — а значит, почему вообще существует всё, что мы видим.

«Если рассматривать физику в чистом виде, не существует причин, по которым материи должно быть больше, чем антиматерии», — говорит Стефан Ульмер, физик из ЦЕРН (Европейской организации ядерных исследований) и руководитель эксперимента BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment).
«А ведь во Вселенной антиматерии почти нет, в то время как материи — в избытке.
Главная цель таких экспериментов — понять, почему возник этот дисбаланс».

Магнитный момент — возможная причина неравенства

Одно из объяснений может скрываться в свойстве, называемом магнитным моментом.
Протоны и антипротоны обладают электрическим зарядом:
протон — положительным, антипротон — отрицательным.
Благодаря этому они ведут себя как крошечные магнитики,
направление которых зависит от ориентации их спина.
Сила и направление этого “магнитика” — и есть магнитный момент частицы.

Если окажется, что магнитные моменты протона и антипротона хоть немного отличаются,
это может объяснить, почему материя «победила» антиматерию после Большого взрыва.

Беспрецедентный уровень контроля над антиматерией

До сих пор измерения не выявили различий — точность достигала 1,5 частей на миллиард.
Однако ранее никому не удавалось наблюдать колебания магнитного момента у одиночных частиц — ни у протона, ни у антипротона.
Все предыдущие эксперименты проводились с ионами или заряжёнными атомами, где поведение частиц усложнено взаимодействием с другими элементами.

Теперь же, по словам Барбары Латач из ЦЕРН и RIKEN Advanced Science Institute (Япония),
ведущего автора исследования,

«мы впервые получили полный контроль над спиновым состоянием отдельной частицы.
Для фундаментальной физики это невероятно захватывающая возможность».

Учёные рассчитывают с помощью этой новой методики повысить точность измерений магнитного момента протона и антипротона в 25 раз.

Если разница всё же найдётся…

Если исследователям удастся обнаружить различие или любую другую аномалию между материей и антиматерией,
это может оправдать создание квантовых компьютеров из антиматерии, несмотря на их сложность.

«Если вдруг выяснится, что между материей и антиматерией действительно есть неожиданная асимметрия,
будет крайне интересно провести одни и те же вычисления на кубитах из материи и антиматерии
и сравнить результаты», — говорит Ульмер, который также работает в RIKEN.

Таким образом, антиматериальный кубит становится не просто техническим достижением,
а инструментом для поиска ответа на главный вопрос космологии:
почему Вселенная существует, и почему в ней победила материя.