反物质量子比特首次实现：CERN突破为量子计算开辟全新维度

抖音快讯 2025年07月28日 09:06 1 admin

欧洲核子研究中心（CERN）再次在反物质研究领域取得历史性突破，成功创造出世界首个反物质量子比特，这一成就不仅推进了我们对宇宙基本结构的理解，更为量子计算和精密物理实验开辟了前所未有的可能性。

50秒的量子舞蹈

研究团队在《自然》杂志发表的论文中详细描述了这一突破性实验。他们使用反质子——质子的反物质对应物——作为量子比特的载体，成功观察到这个反物质粒子在"上"和"下"自旋状态间进行量子叠加，持续时间达到50秒。这种量子叠加状态是量子计算的核心基础，允许量子比特同时存在于多个状态中，从而实现传统计算机无法达到的信息处理能力。

AEgIS的反物质陷阱是使用欧洲核子研究中心的反质子减速器研究反物质的实验之一。图片来源：欧洲核子研究中心/Maximilien Brice和Julien Ordan

CERN的重子反重子对称实验（BASE）合作组织利用相干量子跃迁光谱学技术，以极高精度测量了反质子在磁场中的行为。实验过程异常复杂：研究团队首先从CERN的反物质工厂获得反质子，然后将这些粒子捕获在电磁彭宁陷阱中——一种由磁场构成的精密容器。随后，他们在同一磁体内建立了第二个多重陷阱系统，提取单个反质子并精确操控其自旋状态。

实验的技术挑战在于量子态的极度脆弱性。任何外界干扰都可能导致量子退相干，使系统瞬间失去其宝贵的量子特性。为了解决这一根本性限制，研究团队在过去五年中对实验设备进行了大幅改进，特别注重开发抑制和消除退相干现象的机制。

技术突破的深远意义

这项成就标志着物理学史上的一个重要里程碑。此前，物理学家只能在大量粒子群体中观察到类似的量子现象，而BASE实验首次在单个自由核磁矩中成功观测到相干自旋态光谱。这种精度级别的提升对于基础物理研究具有重要意义。

研究主要作者、物理学家Barbara Latacz在BASE实验中工作。来源：CERN

研究的首席作者、CERN物理学家Barbara Latacz回忆道："我们立即开了一瓶香槟——这是我生命中最美好的时刻之一！我们花了五年时间致力于升级一个已经非常精密的实验装置，直到能够观察到相干自旋态光谱。当你和同事们的努力得到回报时，这种感觉非常令人欣慰。"

BASE项目发言人Stefan Ulmer表示："这代表了首个反物质量子比特，为将整套相干光谱方法应用于精密实验中的单个物质和反物质系统开辟了前景。"

尽管取得了突破性进展，研究团队并不认为反物质量子比特会很快应用于量子计算领域。Latacz解释说："目前将反物质量子比特用于量子计算机并没有意义，因为简单地说，与反物质的生产和存储相关的工程比普通物质要困难得多。"她补充道，由于物质和反物质已知具有基本相同的特性，选择后者在实际应用中缺乏合理性。

未来发展方向

然而，这一研究的价值远超当前的技术应用。反物质研究对于解决物理学中的一个重大谜题至关重要：为什么我们的宇宙中物质多于反物质？根据大多数理论预测，宇宙大爆炸应该产生等量的物质和反物质，但观测结果显示物质占据了绝对优势。

研究团队计划对BASE实验进行进一步升级，新版本被称为BASE-STEP。Latacz表示，这些改进将"将反质子磁矩的测量精度至少提高10倍，从长远来看甚至可能提高100倍"。这种精度的提升可能揭示物质和反物质之间微妙的差异，为解释宇宙的物质不对称性提供关键线索。

除了基础物理研究，这项技术突破还可能为量子计算、原子钟和其他精密仪器的工程进步做出贡献。虽然这些技术应用不会在短期内实现，但该成果为基础物理学提供了宝贵的见解，可能需要数年时间才能完全理解其含义。

正如物理学家Sean Carroll在评论CERN最近的另一项发现时所说："这只是更大拼图的一小部分——但要知道，每一部分都很重要。"反物质量子比特的成功创造不仅展示了人类科学技术的进步，更重要的是，它为我们理解宇宙的基本结构开辟了全新的实验途径。

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