أعلن فريق التعاون BASE في CERN أنهم نجحوا في إعداد ومعالجة "كيوبت المادة المضادة" لأول مرة، محققين قياسات دقة كمومية غير مسبوقة على بروتون مضاد واحد. وقد نشرت هذه النتيجة في مجلة الطبيعة. في التجربة، قام الفريق بحبس بروتون مضاد واحد في الجهاز وسمح لدورانه بالتبديل بسلاسة بين حالتين كموميتين لمدة دقيقة تقريبًا، مما فتح مسارًا جديدًا لمقارنة سلوك المادة والمادة المضادة بدقة عالية للغاية.
البروتونات المضادة هي نظير المادة المضادة للبروتونات. لديهم نفس الكتلة ولكن الشحنات المعاكسة. كما أن لها خصائص دوران مشابهة لتلك الموجودة في المغناطيس الصغير. لا يمكن أن يأخذ اتجاه الدوران إلا إحدى الحالتين. تعد مراقبة حالات الدوران وعملياتها الانتقالية أمرًا بالغ الأهمية للاستشعار الكمي، والقياسات فائقة الدقة، واختبار ما إذا كانت المادة والمادة المضادة "متماثلتين" حقًا بموجب قوانين الفيزياء، بما في ذلك المبدأ الأساسي لفيزياء الجسيمات - تناظر CPT. وفقًا للنموذج القياسي، يجب أن يكون للجسيمات والجسيمات المضادة نفس الكتلة ونفس العمر. وينعكس الاختلاف الرئيسي فقط في الخصائص المتعلقة بالشحن. لذلك، فإن مقارنة البروتونات والبروتونات المضادة عنصرًا بندًا بدقة عالية للغاية هي إحدى الوسائل الأساسية لاختبار هذه النظرية.
ومن أجل تحقيق هذه التجربة، استخدم الباحثون تقنية تسمى "التحليل الطيفي للانتقال الكمي المتماسك" لقياس التغيرات بين حالات الدوران بدقة مع تقليل تأثير الضوضاء البيئية. تم استخدام هذه التقنية على نطاق واسع في علم القياس ومعالجة المعلومات الكمومية والقياسات المغناطيسية واختبار الدقة للنموذج القياسي. وفي تجارب سابقة على البروتونات والديوترونات، حققت قياسات طيفية مازرية عالية الدقة أقل من جزء واحد لكل تريليون.
في الماضي، اعتمدت مثل هذه التجارب الطيفية في الغالب على "إحصاءات كتلة الجسيمات"، ولكن هذه المرة حقق فريق BASE تقدمًا كبيرًا في تطبيق الطريقة على "السبينات النووية الحرة الفردية". في نظام مصيدة بينينغ ذو درجة الحرارة المنخفضة، قام الباحثون أولاً بقياس حالة دوران البروتونات المضادة باستخدام تأثير ستيرن-جيرلاخ المستمر، ثم نقلوها إلى مصيدة دقيقة ذات مجال مغناطيسي مستقر للغاية. واستخدموا قياس الإسقاط الكمي لتوليد وتحليل السلوك الكمي المتماسك للبروتونات المضادة.
لاحظت التجربة أيضًا بوضوح ظاهرة تذبذب ربيع في نظام دوران البروتون المضاد لأول مرة. إن ما يسمى بتذبذب رابي هو عملية ينتقل فيها النظام الكمي بشكل دوري بين مستويين من الطاقة يحركهما مجال كهرومغناطيسي خارجي رنان. تردده (تردد ربيع) يعتمد على شدة التفاعل. يعد هذا التأثير أداة أساسية في الحوسبة الكمومية والرنين المغناطيسي والفيزياء الذرية لأنه يسمح للباحثين بالتعامل بدقة مع الحالات الكمومية للذرات والأيونات والكيوبتات.
في قياسات السلاسل الزمنية، حقق الفريق احتمالية دوران أكثر من 80% ووقت تماسك دوران يبلغ حوالي 50 ثانية. في اختبار الرنين المغزلي للجسيم الواحد، تجاوز احتمال الدوران المغزلي 70%، وكان عرض خط الانتقال أضيق بمقدار 16 مرة من التجارب المماثلة السابقة، مما أدى إلى تحسين دقة القياس بشكل كبير؛ جاء العامل المحدد بشكل أساسي من تأثير فك الترابط المتعلق بقياس تردد السيكلوترون. لقد أثبت تعاون BASE سابقًا أن العزوم المغناطيسية للبروتونات والبروتونات المضادة متسقة للغاية ضمن دقة بضعة أجزاء في المليار، مما يشير إلى أنها متناظرة تمامًا تقريبًا في خصائصها المغناطيسية. قال قائد المشروع ستيفان أولمر أنه في المستقبل، بمساعدة هذه الطريقة الجديدة، من المتوقع أن تتحسن دقة قياس العزم المغناطيسي للبروتون المضاد بمقدار 10 إلى 100 مرة أخرى.
وعلى الرغم من أن مصطلح "الكيوبت" يرتبط غالبًا بالحوسبة الكمومية، إلا أن الباحثين أشاروا إلى أن الكيوبت الكمي الذي تم تحقيقه هذه المرة لن يُترجم مباشرة إلى تطبيقات هندسية أو تكنولوجيا حاسوبية على المدى القصير. وتكمن قيمته العلمية الحقيقية في منح الفيزيائيين دقة غير مسبوقة ووسائل لدراسة خصائص المادة المضادة من نطاق أساسي وإجراء مقارنات أكثر دقة مع المادة العادية، مما يوفر أدلة مهمة لتفسير سبب هيمنة المادة على الكون بالكامل تقريبًا، في حين تتعايش المادة غير المادة والمادة المضادة بنفس القدر.
كشفت باربرا راتاج، المؤلفة الأولى للورقة البحثية، أن الفريق وضع نصب عينيه الخطوة التالية من مشروع BASE-STEP، وهو نظام مصمم لنقل البروتونات المضادة المحاصرة في المصيدة إلى بيئة أكثر هدوءًا مع مجال مغناطيسي. من الناحية النظرية، سيؤدي هذا إلى تمديد زمن تماسك الدوران بحوالي رتبة من حيث الحجم، وهو أمر ذو أهمية أساسية للتقدم في دراسة مادة الباريون المضادة. ويعتقد فريق البحث أنه من خلال الجمع بين تكنولوجيا المعالجة الكمومية المتقدمة والمعدات التجريبية عالية الدقة للغاية، دخلت البشرية عصرًا جديدًا من القياس الدقيق في مجال أبحاث المادة المضادة، وأصبحت أقرب إلى الكشف عن الأسباب الكامنة وراء عدم تناسق المادة والمادة المضادة في الكون.
يتعلم أكثر:
CERN، مجلة الطبيعة