Oamenii de știință au creat primul qubit din antimaterie

Fizicienii de la CERN (Elveția) au creat primul qubit din antimaterie, menținând un antiproton într-o stare de superpoziție cuantică timp de aproape un minut.

Primul qubit din antimaterie le aparține cercetătorilor din cadrul colaborării BASE de la CERN. Proiectul BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) este conceput pentru a măsura momentul magnetic al antiprotonilor, cu alte cuvinte, modul în care aceștia interacționează cu câmpurile magnetice.

• O nouă cercetare spune că două din cinci cancere pot fi prevenite
• De ce galaxiile vecine „fug” de noi? Oamenii de știință au elucidat un mister vechi de…

Deși qubiții sunt în mod obișnuit asociați cu calculatoarele cuantice, în acest caz, qubitul de antiproton este utilizat pentru a investiga diferențele dintre materia obișnuită și antimaterie. Scopul principal este de a înțelege de ce trăim într-un univers dominat de materie, deși, teoretic, în timpul Big Bangului ar fi trebuit să se formeze în proporții egale materie și antimaterie, fiind, practic, opusuri perfecte.

De ce a fost creat primul qubit din antimaterie?

De exemplu, un proton și un antiproton au aceeași masă, dar sarcini electrice opuse. În fizică, această simetrie oglindă între materie și antimaterie este cunoscută sub numele de simetrie CPT (sarcină – paritate – timp). Conform acesteia, o particulă și antiparticula sa ar trebui să se comporte identic din punctul de vedere al legilor fizicii, adică să resimtă gravitația sau electromagnetismul în aceeași măsură (s-a demonstrat deja, de exemplu, că antiprotonii cad cu aceeași viteză ca protonii).

Așadar, în teorie, când s-a născut Universul, ar fi trebuit să existe o șansă de 50% ca particulele formate să fie de materie sau de antimaterie. Dar, din motive necunoscute, nu s-a întâmplat așa. E un mister. Chiar și proiectul BASE a constatat că, până la o precizie de ordinul unei părți la un miliard, protonii și antiprotonii au același moment magnetic. Încă o confirmare a simetriei.

Totuși, aparatul BASE le-a permis fizicienilor să meargă mai departe. Deoarece materia și antimateria se anihilează reciproc atunci când se întâlnesc, proiectul trebuie să le țină complet separate. Pentru asta, se folosesc capcane Penning, adică dispozitive care mențin particulele încărcate în poziție cu ajutorul câmpurilor electrice și magnetice. BASE utilizează două capcane Penning principale: una de analiză, care măsoară precesia momentului magnetic în jurul unui câmp magnetic, și alta de precizie, care poate inversa spinul cuantic al unei particule și îi poate măsura oscilațiile într-un câmp magnetic, scrie Space.com.

Superpoziția particulelor

Fizica cuantică ne spune că particulele se nasc într-o stare de superpoziție. De exemplu, spinul cuantic, o proprietate bizară care imită o mișcare de rotație, nu este o rotație reală, ci o caracteristică intrinsecă a particulei. Dacă ar fi o rotație reală, particulele ar trebui să se învârtă  mult mai repede decât viteza luminii, ceea ce este imposibil.

Astfel, particulele fundamentale, precum electronii, protonii și antiprotonii, au un spin cuantic, chiar dacă nu se rotesc propriu-zis. Valoarea spinului poate fi de 1/2 sau -1/2, iar acest spin este cel care generează momentul magnetic al particulei.

Datorită fenomenului de superpoziție cuantică, care presupune că toate stările cuantice posibile coexistă în același timp într-o particulă, un proton sau un antiproton poate avea simultan spinul de 1/2 și -1/2. Asta până când este măsurat și funcția de undă cuantică colapsează într-o singură valoare. Este una dintre ciudățeniile lumii cuantice: particulele au toate proprietățile posibile deodată, până sunt observate, exact ca pisica lui Schrödinger, vie și moartă în același timp, până când deschizi cutia. Orice interacțiune cu lumea exterioară determină colapsul funcției de undă, proces numit decoerență.

Motivul pentru care se întâmplă acest lucru încă este un subiect intens dezbătut între diferitele interpretări ale fizicii cuantice.

La ce va fi folosit primul qubit din antimaterie?

Indiferent de explicație, cercetătorii BASE au reușit să mențină un antiproton în capcana de precizie într-o stare de superpoziție timp de aproximativ 50 de secunde, un record absolut pentru antimaterie (acest lucru s-a realizat deja cu particule de materie obișnuită, dar pentru durate mai lungi). Astfel, s-a format un qubit dintr-un antiproton. Un qubit este versiunea cuantică a unui bit informatic. Un bit clasic poate avea valoarea 0 sau 1. Un qubit poate fi 0 și 1 în același timp (sau, mai exact, spin de 1/2 și -1/2), iar un computer cuantic care folosește qubiți poate, teoretic, procesa informația mult mai rapid.

Totuși, acest qubit de antiproton nu va fi folosit în calculatoare cuantice, deoarece materia obișnuită este mai ușor de utilizat și nu implică riscul anihilării. În schimb, primul qubit din antimaterie ar putea ajuta la testarea mai detaliată a diferențelor dintre materie și antimaterie și la căutarea unor eventuale încălcări ale simetriei CPT.

Următoarea etapă a experiementelor

„Aceasta este prima realizare a unui qubit de antimaterie și deschide calea pentru aplicarea întregii game de metode spectroscopice coerente pe sisteme individuale de materie și antimaterie, în experimente de înaltă precizie. Mai important, această tehnologie îi va permite proiectului BASE să măsoare momentul magnetic al antiprotonului în viitoare experimente, cu o precizie de 10 până la 100 de ori mai mare”, a declarat Stefan Ulmer, purtătorul de cuvânt al BASE și cercetător la Institutul de Științe Avansate RIKEN (Japonia).

În prezent, experimentele BASE se desfășoară la CERN, unde antimateria este produsă în acceleratorul LHC. Dar urmează o nouă etapă a cercetării: proiectul BASE-STEP (Symmetry Tests in Experiments with Portable Antiprotons), care va folosi o capcană Penning portabilă. Acest sistem le va permite cercetătorilor să transporte antiprotonii în laboratoare specializate, unde fluctuațiile câmpului magnetic ambiental sunt mult mai reduse.

„Odată ce sistemul nostru offline de capcane Penning de precizie va deveni complet operațional și va fi alimentat cu antiprotoni prin intermediul BASE-STEP, am putea obține timpi de coerență a spinului chiar și de zece ori mai mari decât în prezent, ceea ce ar revoluționa cercetările asupra antimateriei”, a spus Barbara Latacz, de la RIKEN, autoarea principală a studiului.

Rezultatele au fost publicate în revista Nature.

Vă recomandăm să citiți și:

Un fenomen nemaivăzut până acum în Sistemul Solar a fost observat pe Jupiter

Mister cosmic vechi de 40 de ani, elucidat. De ce Uranus emite mai multă căldură decât primește de la Soare?

Un studiu sugerează că viața ar putea exista pe unul dintre sateliții lui Saturn

O structură cu diametrul de 200 de ani-lumină, găsită într-o zonă mai puțin explorată a Căii Lactee