CERNのBASE共同チームは、「反物質量子ビット」の準備と操作に初めて成功し、単一の反陽子について前例のない量子精度測定を達成したと発表した。この結果は Nature 誌に掲載されました。実験では、チームは単一の反陽子を装置内に捕捉し、そのスピンが2つの量子状態の間でほぼ1分間スムーズに切り替わることを可能にし、物質と反物質の挙動を極めて高い精度で比較するための新たな道を切り開いた。
反陽子は陽子の反物質に相当します。それらは同じ質量を持ちますが、反対の電荷を持ちます。また、小さな磁石と同様のスピン特性も持っています。スピンの方向は 2 つの状態のうちの 1 つだけを取ることができます。スピン状態とその遷移プロセスの観察は、量子センシング、超高精度測定、素粒子物理学の基本原理である CPT 対称性を含む物理法則に基づいて物質と反物質が本当に「対称」であるかどうかをテストするために極めて重要です。標準モデルによれば、粒子と反粒子は同じ質量と寿命を持つはずです。主な違いは、電荷関連のプロパティにのみ反映されます。したがって、陽子と反陽子を項目ごとに非常に高い精度で比較することは、この理論を検証するための中心的な手段の 1 つです。
この実験を実現するために、研究者らは「コヒーレント量子遷移分光法」と呼ばれる技術を用いて、環境ノイズの影響を最小限に抑えながらスピン状態間の変化を正確に測定した。この技術は、計測学、量子情報処理、磁気測定、標準モデルの精密検査などに広く使用されています。陽子と重陽子に関するこれまでの実験では、1兆分の1レベルを下回る高分解能メーザー分光測定を達成した。
以前は、このような分光実験は主に「質量粒子統計」に依存していましたが、今回BASEチームはこの方法を「単一自由核スピン」に適用するという画期的な進歩を遂げました。低温ペニングトラップシステムでは、研究者らはまず連続シュテルン・ゲルラッハ効果を利用して反陽子のスピン状態を測定し、次にそれらを非常に安定した磁場を備えた精密トラップに移した。彼らは、量子射影測定を使用して、反陽子のコヒーレントな量子挙動を生成および分析しました。
この実験では、反陽子スピン系におけるラビ振動現象も初めて明確に観察されました。いわゆるラビ振動は、量子システムが外部の共鳴電磁場によって駆動される 2 つのエネルギー レベル間を周期的に遷移するプロセスです。その周波数（ラビ周波数）は相互作用の強さに依存します。この効果は、研究者が原子、イオン、量子ビットの量子状態を正確に操作できるため、量子コンピューティング、磁気共鳴、原子物理学における基本的なツールです。
時系列測定において、チームは 80% 以上のスピンフリップ確率と約 50 秒のスピンコヒーレンス時間を達成しました。単一粒子スピン共鳴試験では、スピン反転確率が 70% を超え、転移線幅が以前の同様の実験より 16 倍狭くなり、測定精度が大幅に向上しました。制限要因は主に、サイクロトロン周波数測定に関連するデコヒーレンス効果に由来します。 BASEとの共同研究は、陽子と反陽子の磁気モーメントが数ppbの精度で非常に一貫していることを以前に実証しており、それらの磁気特性がほぼ完全に対称であることを示している。プロジェクトリーダーのステファン・ウルマー氏は、将来的にはこの新しい手法の助けにより、反陽子磁気モーメントの測定精度がさらに10～100倍向上することが期待されると述べた。
「量子ビット」という用語は量子コンピューティングと関連付けられることが多いが、研究者らは、今回達成された反物質量子ビットは、短期的にはエンジニアリングやコンピューティング技術の応用に直接応用されるものではないと指摘した。その本当の科学的価値は、反物質の特性を基本的なスケールから調べ、通常の物質とより厳密に比較するための前例のない精度と手段を物理学者に提供することにあり、非物質と反物質が同等に共存しているのに、宇宙がほぼ完全に物質によって支配されている理由を説明する重要な手がかりを提供します。
この論文の筆頭著者であるバーバラ・ラテージ氏は、チームがBASE-STEPプロジェクトの次の段階、つまりトラップに閉じ込められた反陽子を磁場のあるより静かな環境に移送するように設計されたシステムに目を向けていることを明らかにした。理論的には、これによりスピンコヒーレンス時間が約1桁延長され、バリオン反物質の研究を進める上で重要な意味を持つ。研究チームは、高度な量子操作技術と極めて高精度の実験装置を組み合わせることで、人類は反物質研究分野で精密測定の新時代を迎え、宇宙の物質と反物質の非対称性の根本原因の解明に近づいていると考えている。
もっと詳しく知る：
CERN、ネイチャー誌