El equipo de colaboración BASE del CERN anunció que prepararon y manipularon con éxito un "qubit de antimateria" por primera vez, logrando mediciones de precisión cuántica sin precedentes en un solo antiprotón. Este resultado ha sido publicado en la revista Nature. En el experimento, el equipo atrapó un único antiprotón en el dispositivo y permitió que su giro cambiara suavemente entre dos estados cuánticos durante casi un minuto, abriendo un nuevo camino para comparar el comportamiento de la materia y la antimateria con una precisión extremadamente alta.
Los antiprotones son la contraparte de antimateria de los protones. Tienen la misma masa pero cargas opuestas. También tienen propiedades de giro similares a las de los pequeños imanes. La dirección de giro sólo puede adoptar uno de dos estados. La observación de los estados de espín y sus procesos de transición es crucial para la detección cuántica, las mediciones de ultra alta precisión y la prueba de si la materia y la antimateria son verdaderamente "simétricas" según las leyes de la física, incluido el principio básico de la física de partículas: la simetría CPT. Según el modelo estándar, las partículas y antipartículas deberían tener la misma masa y vida útil. La principal diferencia sólo se refleja en las propiedades relacionadas con la carga. Por lo tanto, comparar protones y antiprotones elemento por elemento con una precisión extremadamente alta es uno de los medios principales para probar esta teoría.
Para realizar este experimento, los investigadores utilizaron una tecnología llamada "espectroscopia de transición cuántica coherente" para medir con precisión los cambios entre los estados de espín y minimizar el impacto del ruido ambiental. Esta tecnología se ha utilizado ampliamente en metrología, procesamiento de información cuántica, mediciones magnéticas y pruebas de precisión del modelo estándar. En experimentos anteriores con protones y deuterones, logró mediciones de espectroscopia máser de alta resolución por debajo del nivel de una parte por billón.
En el pasado, este tipo de experimentos espectroscópicos se basaban principalmente en "estadísticas de partículas de masa", pero esta vez el equipo de BASE logró un gran avance al aplicar el método a "espines nucleares libres individuales". En el sistema de trampa Penning de baja temperatura, los investigadores primero midieron el estado de giro de los antiprotones utilizando el efecto continuo de Stern-Gerlach y luego los transfirieron a una trampa de precisión con un campo magnético altamente estable. Utilizaron mediciones de proyección cuántica para generar y analizar el comportamiento cuántico coherente de los antiprotones.
El experimento también observó claramente por primera vez el fenómeno de oscilación de Rabi en un sistema de espín antiprotón. La llamada oscilación de Rabi es un proceso en el que un sistema cuántico cambia periódicamente entre dos niveles de energía impulsado por un campo electromagnético resonante externo. Su frecuencia (frecuencia Rabi) depende de la intensidad de la interacción. Este efecto es una herramienta fundamental en la computación cuántica, la resonancia magnética y la física atómica porque permite a los investigadores manipular con precisión los estados cuánticos de átomos, iones y qubits.
En mediciones de series de tiempo, el equipo logró una probabilidad de giro de más del 80% y un tiempo de coherencia de giro de aproximadamente 50 segundos. En la prueba de resonancia de espín de una sola partícula, la probabilidad de cambio de espín superó el 70% y el ancho de la línea de transición fue 16 veces más estrecho que en experimentos similares anteriores, lo que mejoró enormemente la precisión de la medición; el factor limitante provino principalmente del efecto de decoherencia relacionado con la medición de la frecuencia del ciclotrón. La colaboración BASE ha demostrado previamente que los momentos magnéticos de protones y antiprotones son muy consistentes con una precisión de unas pocas partes por mil millones, lo que indica que son casi completamente simétricos en sus propiedades magnéticas. El líder del proyecto, Stefan Ulmer, dijo que en el futuro, con la ayuda de este nuevo método, se espera que la precisión de la medición del momento magnético antiprotón se mejore entre 10 y 100 veces.
Aunque el término "qubit" se asocia a menudo con la computación cuántica, los investigadores señalaron que el qubit de antimateria logrado esta vez no se traducirá directamente en aplicaciones de ingeniería o tecnología informática en el corto plazo. Su verdadero valor científico radica en brindar a los físicos una precisión y medios sin precedentes para examinar las propiedades de la antimateria desde una escala fundamental y hacer comparaciones más rigurosas con la materia ordinaria, proporcionando pistas importantes para explicar por qué el universo está dominado casi por completo por la materia, mientras que la no materia y la antimateria coexisten en igual medida.
Barbara Rattage, la primera autora del artículo, reveló que el equipo ha puesto su mirada en el siguiente paso del proyecto BASE-STEP: un sistema diseñado para transferir antiprotones atrapados en la trampa a un entorno más tranquilo con un campo magnético. En teoría, esto ampliará el tiempo de coherencia de espín en aproximadamente un orden de magnitud, lo cual es de importancia clave para avanzar en el estudio de la antimateria bariónica. El equipo de investigación cree que al combinar tecnología avanzada de manipulación cuántica con equipos experimentales de altísima precisión, la humanidad ha entrado en una nueva era de medición de precisión en el campo de la investigación de la antimateria y está más cerca de revelar las causas subyacentes de la asimetría materia-antimateria en el universo.
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CERN, revista Naturaleza