Das BASE-Kollaborationsteam am CERN gab bekannt, dass es zum ersten Mal erfolgreich ein „Antimaterie-Qubit“ vorbereitet und manipuliert hat und dabei beispiellose Quantenpräzisionsmessungen an einem einzelnen Antiproton erzielt hat. Dieses Ergebnis wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Bei dem Experiment fing das Team ein einzelnes Antiproton im Gerät ein und ließ seinen Spin fast eine Minute lang sanft zwischen zwei Quantenzuständen wechseln, was einen neuen Weg für den Vergleich des Verhaltens von Materie und Antimaterie mit extrem hoher Präzision eröffnete.
Antiprotonen sind das Antimaterie-Gegenstück zu Protonen. Sie haben die gleiche Masse, aber entgegengesetzte Ladungen. Außerdem haben sie ähnliche Spineigenschaften wie winzige Magnete. Die Spinrichtung kann nur einen von zwei Zuständen annehmen. Die Beobachtung von Spinzuständen und ihren Übergangsprozessen ist von entscheidender Bedeutung für Quantensensorik, hochpräzise Messungen und die Prüfung, ob Materie und Antimaterie gemäß den Gesetzen der Physik, einschließlich des Grundprinzips der Teilchenphysik – der CPT-Symmetrie – wirklich „symmetrisch“ sind. Nach dem Standardmodell sollten Teilchen und Antiteilchen die gleiche Masse und Lebensdauer haben. Der wesentliche Unterschied spiegelt sich lediglich in den ladungsbezogenen Eigenschaften wider. Daher ist der Vergleich von Protonen und Antiprotonen Stück für Stück mit äußerst hoher Präzision eines der wichtigsten Mittel zur Überprüfung dieser Theorie.
Um dieses Experiment durchzuführen, verwendeten die Forscher eine Technologie namens „kohärente Quantenübergangsspektroskopie“, um die Änderungen zwischen Spinzuständen genau zu messen und gleichzeitig die Auswirkungen von Umgebungsrauschen zu minimieren. Diese Technologie wird häufig in der Messtechnik, Quanteninformationsverarbeitung, magnetischen Messungen und Präzisionstests des Standardmodells eingesetzt. In früheren Experimenten an Protonen und Deuteronen wurden hochauflösende Maser-Spektroskopie-Messungen unter einem Teil pro Billion erreicht.
In der Vergangenheit stützten sich solche spektroskopischen Experimente meist auf „Massenteilchenstatistiken“, doch dieses Mal gelang dem BASE-Team ein Durchbruch bei der Anwendung der Methode auf „einzelne freie Kernspins“. Im Tieftemperatur-Penningfallensystem haben Forscher zunächst den Spinzustand von Antiprotonen mithilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts gemessen und ihn anschließend in eine Präzisionsfalle mit hochstabilem Magnetfeld übertragen. Mithilfe der Quantenprojektionsmessung konnten sie das kohärente Quantenverhalten von Antiprotonen erzeugen und analysieren.
Das Experiment beobachtete auch erstmals deutlich das Rabi-Oszillationsphänomen in einem Antiprotonen-Spinsystem. Die sogenannte Rabi-Oszillation ist ein Prozess, bei dem ein Quantensystem periodisch zwischen zwei Energieniveaus wechselt, angetrieben durch ein externes resonantes elektromagnetisches Feld. Seine Frequenz (Rabi-Frequenz) hängt von der Intensität der Wechselwirkung ab. Dieser Effekt ist ein grundlegendes Werkzeug in der Quanteninformatik, Magnetresonanz und Atomphysik, da er es Forschern ermöglicht, die Quantenzustände von Atomen, Ionen und Qubits präzise zu manipulieren.
In Zeitreihenmessungen erreichte das Team eine Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit von mehr als 80 % und eine Spin-Kohärenzzeit von etwa 50 Sekunden. Im Einzelteilchen-Spinresonanztest überstieg die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit 70 % und die Übergangslinienbreite war 16-mal schmaler als bei früheren ähnlichen Experimenten, was die Messgenauigkeit erheblich verbesserte; Der begrenzende Faktor war hauptsächlich der Dekohärenzeffekt im Zusammenhang mit der Zyklotronfrequenzmessung. Die BASE-Kollaboration hat zuvor gezeigt, dass die magnetischen Momente von Protonen und Antiprotonen mit einer Genauigkeit von wenigen Teilen pro Milliarde sehr konsistent sind, was darauf hindeutet, dass ihre magnetischen Eigenschaften nahezu vollständig symmetrisch sind. Projektleiter Stefan Ulmer sagte, dass mit Hilfe dieser neuen Methode die Genauigkeit der Messung des magnetischen Antiprotonenmoments in Zukunft voraussichtlich um das weitere 10- bis 100-fache verbessert werden könne.
Obwohl der Begriff „Qubit“ häufig mit Quantencomputern in Verbindung gebracht wird, wiesen die Forscher darauf hin, dass das diesmal erreichte Antimaterie-Qubit kurzfristig nicht direkt in technische oder computertechnische Anwendungen umgesetzt werden kann. Ihr wahrer wissenschaftlicher Wert liegt darin, dass sie den Physikern eine beispiellose Präzision und Mittel an die Hand gibt, um die Eigenschaften von Antimaterie auf einer fundamentalen Skala zu untersuchen und genauere Vergleiche mit gewöhnlicher Materie anzustellen. Dies liefert wichtige Hinweise, um zu erklären, warum das Universum fast vollständig von Materie dominiert wird, während Nicht-Materie und Antimaterie gleichermaßen koexistieren.
Barbara Rattage, die Erstautorin des Papiers, gab bekannt, dass das Team den nächsten Schritt des BASE-STEP-Projekts im Visier hat – ein System, das in der Falle gefangene Antiprotonen in eine ruhigere Umgebung mit einem Magnetfeld übertragen soll. Theoretisch wird dies die Spin-Kohärenzzeit um etwa eine Größenordnung verlängern, was für die Weiterentwicklung der Erforschung der Baryon-Antimaterie von entscheidender Bedeutung ist. Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass die Menschheit durch die Kombination fortschrittlicher Quantenmanipulationstechnologie mit extrem hochpräziser experimenteller Ausrüstung in eine neue Ära der Präzisionsmessung im Bereich der Antimaterieforschung eingetreten ist und der Aufklärung der zugrunde liegenden Ursachen der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum näher gekommen ist.
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CERN, Naturmagazin