A equipe de colaboração BASE do CERN anunciou que preparou e manipulou com sucesso um “qubit de antimatéria” pela primeira vez, alcançando medições de precisão quântica sem precedentes em um único antipróton. Este resultado foi publicado na revista Nature. No experimento, a equipe prendeu um único antipróton no dispositivo e permitiu que seu spin alternasse suavemente entre dois estados quânticos por quase um minuto, abrindo um novo caminho para comparar o comportamento da matéria e da antimatéria com precisão extremamente alta.
Os antiprótons são a contraparte de antimatéria dos prótons. Eles têm a mesma massa, mas cargas opostas. Eles também têm propriedades de rotação semelhantes às de pequenos ímãs. A direção de rotação só pode assumir um de dois estados. Observar os estados de spin e seus processos de transição é crucial para a detecção quântica, medições de altíssima precisão e testar se a matéria e a antimatéria são verdadeiramente "simétricas" sob as leis da física, incluindo o princípio básico da física de partículas - simetria CPT. De acordo com o modelo padrão, partículas e antipartículas deveriam ter a mesma massa e vida útil. A principal diferença reflete-se apenas nas propriedades relacionadas à carga. Portanto, comparar prótons e antiprótons item por item com precisão extremamente alta é um dos principais meios de testar essa teoria.
Para realizar este experimento, os pesquisadores usaram uma tecnologia chamada “espectroscopia de transição quântica coerente” para medir com precisão as mudanças entre os estados de spin, minimizando ao mesmo tempo o impacto do ruído ambiental. Esta tecnologia tem sido amplamente utilizada em metrologia, processamento de informações quânticas, medições magnéticas e testes de precisão do Modelo Padrão. Em experimentos anteriores com prótons e deutérios, alcançou medições de espectroscopia de maser de alta resolução abaixo do nível de uma parte por trilhão.
No passado, tais experiências espectroscópicas baseavam-se principalmente em “estatísticas de partículas de massa”, mas desta vez a equipa BASE fez um grande avanço na aplicação do método a “spins nucleares livres únicos”. No sistema de armadilha Penning de baixa temperatura, os pesquisadores primeiro mediram o estado de rotação dos antiprótons usando o efeito Stern-Gerlach contínuo e depois os transferiram para uma armadilha de precisão com um campo magnético altamente estável. Eles usaram medições de projeção quântica para gerar e analisar o comportamento quântico coerente dos antiprótons.
O experimento também observou claramente pela primeira vez o fenômeno de oscilação de Rabi em um sistema de spin antipróton. A chamada oscilação Rabi é um processo no qual um sistema quântico transita periodicamente entre dois níveis de energia impulsionados por um campo eletromagnético ressonante externo. Sua frequência (frequência Rabi) depende da intensidade da interação. Este efeito é uma ferramenta fundamental em computação quântica, ressonância magnética e física atômica porque permite aos pesquisadores manipular com precisão os estados quânticos de átomos, íons e qubits.
Nas medições de séries temporais, a equipe alcançou uma probabilidade de inversão de rotação de mais de 80% e um tempo de coerência de rotação de aproximadamente 50 segundos. No teste de ressonância de spin de partícula única, a probabilidade de rotação do spin excedeu 70% e a largura de linha de transição foi 16 vezes mais estreita do que experimentos semelhantes anteriores, o que melhorou muito a precisão da medição; o fator limitante veio principalmente do efeito de decoerência relacionado à medição da frequência do cíclotron. A colaboração BASE demonstrou anteriormente que os momentos magnéticos dos prótons e antiprótons são altamente consistentes com uma precisão de algumas partes por bilhão, indicando que eles são quase completamente simétricos nas suas propriedades magnéticas. O líder do projeto, Stefan Ulmer, disse que no futuro, com a ajuda deste novo método, espera-se que a precisão da medição do momento magnético antipróton seja melhorada em mais 10 a 100 vezes.
Embora o termo "qubit" seja frequentemente associado à computação quântica, os pesquisadores apontaram que o qubit de antimatéria alcançado desta vez não se traduzirá diretamente em aplicações de engenharia ou tecnologia de computação no curto prazo. O seu verdadeiro valor científico reside em dar aos físicos uma precisão e meios sem precedentes para examinar as propriedades da antimatéria a partir de uma escala fundamental e fazer comparações mais rigorosas com a matéria comum, fornecendo pistas importantes para explicar porque é que o universo é quase inteiramente dominado pela matéria, enquanto a não matéria e a antimatéria coexistem em igual medida.
Barbara Rattage, a primeira autora do artigo, revelou que a equipe está focada na próxima etapa do projeto BASE-STEP – um sistema projetado para transferir antiprótons presos na armadilha para um ambiente mais silencioso com um campo magnético. Teoricamente, isso estenderá o tempo de coerência do spin em cerca de uma ordem de magnitude, o que é de importância fundamental para o avanço do estudo da antimatéria bárion. A equipe de pesquisa acredita que, ao combinar tecnologia avançada de manipulação quântica com equipamentos experimentais de altíssima precisão, a humanidade entrou em uma nova era de medição de precisão no campo da pesquisa de antimatéria e está mais perto de revelar as causas subjacentes da assimetria matéria-antimatéria no universo.
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CERN, revista Nature