Por primera vez, los físicos del CERN han logrado que un antiprotón —un gemelo especular de la materia que compone nuestro mundo— se comporte como un bit cuántico, o cúbit. El antiprotón mantuvo su equilibrio cuántico, oscilando entre estados de espín, no durante una fracción de segundo, sino durante 50 segundos. Esta peculiar hazaña lograda por la colaboración BASE en el CERN representa un paso deliberado y delicado hacia las preguntas más profundas del universo, hacia el inquietante enigma de por qué existe algo.
El primer bit cuántico de antimateria
En el centro del experimento se encuentra una pregunta que aún atormenta a los físicos: ¿por qué el universo está compuesto casi en su totalidad de materia? Según la teoría, el Big Bang debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria. Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan en un estallido de energía; por lo tanto, si se hubieran creado en perfecto equilibrio, el universo debería haberse autodestruido rápidamente. Y aún así, aquí estamos.
Para investigar este enigma, los investigadores han buscado durante mucho tiempo pequeñas diferencias entre la materia y la antimateria. El equipo de BASE se especializa en mediciones ultraprecisas del momento magnético del antiprotón, una propiedad que actúa como una pequeña barra magnética alineada con el espín de la partícula. Comparar este valor con el del protón podría revelar fisuras en la simetría CPT, la idea de que las leyes de la física son las mismas para partículas y antipartículas.
Hasta ahora, estas mediciones no han detectado diferencias. Pero ahora, utilizando técnicas típicamente reservadas para la computación cuántica, el equipo de BASE ha abierto un nuevo camino: la espectroscopia de transición cuántica coherente en un único espín de antiprotón atrapado.
El acto de equilibrio cuántico de 50 segundos
Para crear el cúbit de antimateria, los investigadores colocaron un antiprotón dentro de una trampa criogénica de Penning, utilizando campos magnéticos y eléctricos ajustados con precisión para mantenerlo estable y aislado. Luego, aplicaron un pulso de energía de radiofrecuencia cuidadosamente calibrado para colocar el espín del antiprotón en superposición, un estado cuántico donde se encuentra simultáneamente “arriba” y “abajo”.
Esta extraña existencia dual no duró eternamente. Finalmente, el estado cuántico colapsó al establecerse la decoherencia. Pero duró unos extraordinarios 50 segundos, el estado cuántico coherente más largo jamás observado en la antimateria.
“Esto representa el primer qubit de antimateria y abre la perspectiva de aplicar todo el conjunto de métodos de espectroscopia coherente a sistemas individuales de materia y antimateria en experimentos de precisión”, dijo Stefan Ulmer, portavoz de BASE y físico de RIKEN y CERN.
El equipo observó distintivas oscilaciones de Rabi (cambios periódicos en la dirección del espín) al variar el tiempo de activación. Estas oscilaciones son el sello distintivo de un cúbit con buen comportamiento y ofrecen una forma de medir el momento magnético con una precisión sin precedentes.
Según los resultados publicados, la trampa de precisión logró anchos de línea de transición hasta 16 veces más estrechos que en mediciones anteriores, con probabilidades de inversión de espín de hasta el 80%.
No para informática, todavía
A diferencia de los cúbits de silicio utilizados en ordenadores cuánticos experimentales, es improbable que los cúbits de antimateria encuentren aplicaciones informáticas reales a corto plazo. Los desafíos de ingeniería son inmensos: crear, almacenar y aislar antimateria requiere instalaciones como el Desacelerador de Antiprotones del CERN y tecnología que evite la aniquilación de materia y antimateria.
“Actualmente no tiene sentido usar [el cúbit de antimateria] para computadoras cuánticas”, afirmó Barbara Latacz, física del CERN y autora principal del estudio. “La ingeniería relacionada con la producción y el almacenamiento de antimateria es mucho más compleja que la de la materia normal”.
Aun así, las implicaciones teóricas son significativas. Si experimentos futuros encuentran alguna discrepancia entre el comportamiento de la materia y la antimateria, incluso a nivel cuántico, podría ser una pista del desequilibrio del universo. “Si solo analizamos la física, no hay ninguna razón para que haya más materia que antimateria”, explicó Ulmer a Scientific American.
El futuro de la investigación sobre la antimateria
El experimento actual se llevó a cabo en el complejo de aceleradores del CERN, que introduce campos magnéticos fluctuantes que pueden perturbar mediciones sensibles. Por ello, la siguiente fase del proyecto consiste en BASE-STEP (Pruebas de Simetría en Experimentos con Antiprotones Portátiles), un sistema de trampa transportable diseñado para transportar antiprotones a laboratorios más silenciosos.
“Una vez que esté completamente operativo, nuestro nuevo sistema de trampa Penning de precisión fuera de línea, que se abastecerá con antiprotones transportados por BASE-STEP, podría permitirnos lograr tiempos de coherencia de espín quizás incluso diez veces más largos que en los experimentos actuales”, dijo Latacz a Space.com.
Una configuración de este tipo podría permitir una mejora de 10 a 100 veces en la precisión al medir el momento magnético del antiprotón. El objetivo es alcanzar sensibilidades de 10 partes por billón, una precisión tan alta que podría revelar sutiles asimetrías ocultas bajo el aparente equilibrio de materia y antimateria.
Un espejo subatómico
Hasta ahora, todos los experimentos que investigan la simetría materia-antimateria han reforzado la idea de que ambas son prácticamente indistinguibles. Mediciones previas de BASE revelaron que los momentos magnéticos de protones y antiprotones coincidían con una precisión de 1,5 partes por mil millones. Pero la resolución mejorada de la espectroscopia coherente genera esperanzas de un gran avance.
Este trabajo “podría ser interesante para realizar básicamente los mismos cálculos con cúbits de materia y antimateria y comparar los resultados”, afirmó Ulmer. Esta comparación podría algún día señalar una asimetría fundamental responsable del desequilibrio que moldeó el cosmos.
Y aunque el qubit de antimateria aún no ayudará a construir motores warp ni computadoras cuánticas, es una herramienta poderosa en una búsqueda diferente: entender por qué existe el universo en primer lugar. Incluso si el qubit de antimateria no resuelve hoy el enigma de la asimetría, nos está acercando al día en que tal vez podamos hacerlo.
Los hallazgos aparecieron en la revista Nature.
Fuente: ZME Science.
