史上首顆「反物質量子位元」誕生　CERN實驗刷新基礎物理新頁

更新於 07月25日09:05 • 發布於 07月25日09:00 • 高詩豪

歐洲核子研究中心（CERN）BASE團隊近日於《Nature》期刊發表突破性成果：首次成功讓一顆反質子（即質子的反物質）在電磁阱中維持兩種自旋態之間的量子疊加狀態近一分鐘，實現了人類史上第一個「反物質量子位元」（antimatter qubit）。這項里程碑意義的實驗，不僅為精密比較物質與反物質的性質提供了新工具，也為基礎物理學及未來的量子科技打開全新大門。

反質子與質子質量相同、但帶相反電荷，其自旋行為類似微型磁鐵，可以「指向」上下兩種量子態。透過「相干量子轉換光譜法」觀察磁矩翻轉，是當代量子感測與資訊處理的關鍵技術之一，同時也能檢驗宇宙基本對稱性——電荷-宇稱-時間（CPT）對稱。標準模型預言物質與反物質行為應完全一致，然而現實宇宙明顯以物質為主，因此實驗上極需高精度對照。

帶反電荷，自旋行為類似微磁鐵

圖展示了CERN BASE 團隊進行「反質子量子位元」實驗的設置和結果。 a. 主要實驗裝置：圖中顯示用於囚禁與操作反質子的多區段電磁阱（Penning trap）系統，包括反質子儲存區、精密量測區與分析區，並配有磁場補償、冷卻、旋轉與自旋翻轉等檢測與操作裝置。 b. 偵測電路：電路圖顯示用於量測反質子動態的低溫與室溫電子系統，並帶有回饋與訊號放大處理環節。 c. 磁場均勻化：2021年（綠色）與2023年（紅色）磁場均勻化效果的對比，顯示最新系統已大幅降低剩餘磁場梯度，提高實驗精度。 d. 自旋翻轉測試：多次重複量測結果顯示反質子的自旋可以在「向上」和「向下」狀態間有規律地切換，頻率差173 mHz，證實成功製備出可控的反物質量子位元。圖／《Nature》

過去相干量子轉換多在大群粒子或離子中觀察到，單一粒子（特別是核磁矩如反質子）一直無法維持量子相干太久，容易被外部雜訊「去相干」干擾。BASE團隊此次利用升級的電磁Penning阱技術，極大幅度減少磁場波動與偵測干擾，終於在單一反質子上實現50秒的自旋相干時間，成功以「量子鞦韆」般精準控制其態變化，且在未觀測時可同時處於多重狀態。

這項新方法使反質子的磁矩測量精度預期將提升10到100倍，更進一步推動對標準模型、CPT對稱性甚至新物理的探索。雖然反物質量子位元目前尚難應用於實用量子電腦，但對於未來基礎科學、反物質物理與宇宙起源問題的研究意義深遠。團隊也計劃利用全新運輸與超靜磁場裝置（BASE-STEP），進一步延長量子相干時間，將反物質研究帶入全新紀元。

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首圖來源：CERNCC BY 4.0)

圖片來源：Nick Strausfeld　(CC BY 4.0)

參考論文：
1、Coherent spectroscopy with a single antiproton spinNature

延伸閱讀：
1、歐洲核子研究中心揭開反物質之謎：科學家證實其與普通物質受相同重力影響

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