摘要：这个由全球多个国家物理学家组成的团队，在 CERN 的反物质工厂中，首次让单个反质子在量子 “自旋上” 与 “自旋下” 两种状态间实现持续稳定振荡，且保持量子相干状态长达 50 秒，这一突破标志着人类成功制造出首个反物质量子比特，将反物质从理论探索推向了量子技

编辑：欣阅

2025 年 7 月，欧洲核子研究中心（CERN）的 BASE 合作组在《自然》杂志发表的研究成果，为反物质研究领域树立了全新坐标。

这个由全球多个国家物理学家组成的团队，在 CERN 的反物质工厂中，首次让单个反质子在量子 “自旋上” 与 “自旋下” 两种状态间实现持续稳定振荡，且保持量子相干状态长达 50 秒，这一突破标志着人类成功制造出首个反物质量子比特，将反物质从理论探索推向了量子技术应用的全新阶段。

作为质子的反物质对应粒子，反质子与普通质子质量相同但电荷相反，这种特性使其成为检验基础物理法则与开发新型量子器件的理想载体，而此次反物质量子比特的诞生，正是破解反物质谜题与推动量子技术升级的关键一步。

反物质量子比特的制造，首先要攻克反质子的捕获与稳定约束难题。

反物质的天然属性使其一旦与普通物质接触便会发生湮灭，释放出巨大能量，因此如何在实验环境中长时间 “困住” 反质子成为首要挑战。

BASE 合作组采用了一种名为 “彭宁离子阱” 的精密装置，通过叠加强磁场与静电场形成能量势阱，将单个反质子悬浮在超高真空环境中 —— 实验所用的真空腔压力低至 10^-19 巴，相当于宇宙深空的真空程度，以此最大限度减少气体分子与反质子的碰撞概率。

为进一步降低环境干扰，整个实验装置被置于零下 271 摄氏度的超低温环境中，这个温度仅比绝对零度高出 2 摄氏度，能有效抑制热运动对反质子量子态的破坏，为后续的量子操控奠定基础。

实现反质子量子态的可控振荡，依赖于 “相干量子跃迁光谱” 技术的创新应用。

反质子具有类似微小条形磁铁的核磁矩，其量子自旋可呈现 “上” 或 “下” 两种基本状态，这两种状态恰好可对应量子计算中的 “0” 和 “1”。

研究团队通过向彭宁离子阱中注入特定频率的射频脉冲，对反质子的自旋状态进行精准调控 —— 这种调控被团队形象地比作 “推秋千”，在恰当时机施加适度能量 “推动”，反质子便能在 “自旋上” 与 “自旋下” 状态间以稳定节奏来回切换。

与传统的非相干测量方法不同，这种技术通过实时监测反质子磁矩的翻转信号，动态调整射频脉冲的频率与强度，显著抑制了磁场波动带来的 “量子退相干” 效应，使反质子的相干时间达到 50 秒，这一数据较此前反物质量子态保持纪录提升了近 10 倍，为量子测量与计算提供了稳定的物理载体。

这一突破的核心价值，在于首次在单个具备核磁矩的自由粒子上实现相干量子跃迁。

在此之前，科学家虽已在大量粒子集合或束缚离子中观察到类似现象，但单个自由粒子的量子操控始终未能突破 —— 这类粒子在物理学理论中频繁出现，却因体积微小、易受干扰等特性，长期处于 “理论可及、实验难控” 的状态。

BASE 合作组的实验不仅填补了这一空白，更创造了全新的测量精度标准：通过反物质量子比特的自旋振荡信号，研究人员可将反质子磁矩的测量精度提升 10 至 100 倍。

磁矩是粒子的核心物理参数，其测量精度的突破，为检验物理学基本法则提供了前所未有的精密工具，其中最关键的便是对电荷 — 宇称 — 时间（CPT）对称性的验证。

CPT 对称性理论是现代物理学的基石之一，它预言物质与反物质在所有物理行为上应完全一致，然而宇宙中观测到的物质总量却远超反物质，这种 “宇宙不对称性” 一直是物理学界的重大谜题。

反物质量子比特的诞生为解决这一谜题提供了新路径：通过对比反物质量子比特与普通质子量子比特的自旋振荡特性，科学家可精准寻找二者在磁矩、跃迁频率等参数上的细微差异，若能发现 CPT 对称性的破缺证据，将有望解释宇宙演化过程中物质为何能 “战胜” 反物质留存下来。

BASE 合作组发言人斯特凡・乌尔默指出，这种高精度对比研究此前因缺乏稳定的反物质量子载体而难以开展，如今反物质量子比特的实现，让这一探索从理论构想变为实验可能。

在应用层面，反物质量子比特为量子计算与高精度传感技术开辟了新方向。

量子计算的核心优势在于利用量子叠加态实现并行运算，但普通量子比特易受环境干扰导致计算错误，而反物质独特的物理特性可能为解决这一问题提供新思路 —— 初步实验显示，反物质量子比特对某些类型的环境噪声具有天然抗性，未来若能实现多比特协同运算，有望构建出稳定性更高的量子计算机。

在量子传感领域，反物质量子比特的磁矩测量精度可应用于地质勘探、医学成像等场景，例如通过探测磁场的微小变化，实现对地下资源的高精度定位，或开发出比现有设备灵敏百倍的脑部成像工具，助力早期神经疾病诊断。

实验的成功还依赖于跨学科技术的协同创新。除了彭宁离子阱与相干光谱技术外，研究团队还开发了一套实时反馈控制系统，通过人工智能算法动态调整磁场与电场参数 —— 当监测到反质子量子态出现不稳定迹象时，系统可在 10 微秒内完成参数校准，响应速度较人工操作提升了 1000 倍。

物理学家芭芭拉・拉塔奇在实验中负责的量子信号解码工作，采用了基于超导量子干涉装置（SQUID）的探测系统，这种装置能捕捉到反质子自旋翻转产生的微弱磁信号，其灵敏度达到可检测单个电子磁矩变化的级别，正是这些技术的融合应用，才使得反物质量子比特的制造与观测成为可能。

从科学发展的脉络来看，反物质量子比特的诞生是反物质研究长期积累的必然结果。

自 1955 年科学家首次在实验室中发现反质子以来，相关研究已走过近 70 年历程，从最初的存在性验证，到反氢原子的合成，再到如今反物质量子比特的实现，每一步突破都伴随着技术手段的迭代升级。

此次成果不仅回应了基础物理领域的核心疑问，更搭建起反物质理论与实际应用之间的桥梁 —— 随着相干时间的进一步延长与多比特系统的构建，反物质量子比特有望在量子计算、宇宙学研究、精密测量等多个领域引发连锁突破，为人类探索微观世界与宏观宇宙提供全新视角。

正如科研团队在论文中强调的，这一里程碑事件的意义不仅在于制造出一种新型量子比特，更在于开启了一个 “用反物质探索未知” 的新时代。

来源：近代说史