برای اولین بار در تاریخ، فیزیکدانان موفق به ساخت یک کیوبیت (بیت کوانتومی) از پادماده شده‌اند. کیوبیت، واحد پایه ذخیره‌سازی اطلاعات در رایانه‌های کوانتومی است. محققان در این آزمایش با استفاده از میدان‌های مغناطیسی، یک پادپروتون (معادل پادماده‌ای پروتون‌های موجود در اتم‌ها) را به دام انداختند و سرعت تغییر جهت اسپین آن را برای نزدیک به یک دقیقه اندازه‌گیری کردند. نتایج این تحقیق در ۲۳ ژوئیه (۱ مرداد) در مجله معتبر نیچر منتشر شد.

چالش‌های ساخت رایانه‌های کوانتومی پادماده‌ای

هرچند ساخت رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر کیوبیت‌های پادماده‌ای هنوز در مراحل اولیه است و به مراتب پیچیده‌تر از نمونه‌های معمولی است، اما این دستاورد به دلایل دیگری هیجان‌انگیز است. این آزمایش‌ها می‌توانند پرده از اسرار بنیادین جهان هستی بردارند.

اسپین و ماهیت کیوبیت‌ها

اسپین یک ذره می‌تواند در حالت «بالا» یا «پایین» باشد، درست مانند بیت‌های کلاسیک که مقادیر «۰» یا «۱» را می‌پذیرند. اما برخلاف بیت‌های کلاسیک که فقط می‌توانند در یکی از این دو حالت باشند، اسپین یک کیوبیت پادپروتونی می‌تواند همزمان در هر دو حالت یا ترکیبی از آن‌ها قرار داشته باشد. این ویژگی منحصر به فرد کیوبیت‌ها است که آن‌ها را از بیت‌های کلاسیک متمایز می‌کند و نوید تحولی شگرف در سرعت و توان محاسباتی رایانه‌های آینده را می‌دهد.

کنترل بی‌سابقه بر پادماده

وینچنزو واگنونی، فیزیکدان مؤسسه ملی فیزیک هسته‌ای ایتالیا (INFN)، که در این تحقیق مشارکت نداشته، می‌گوید: «این آزمایش سطح کنترل بی‌سابقهای بر پادماده را نشان می‌دهد. این موفقیت مدیون توسعه تله‌های مغناطیسی بسیار کارآمد برای پادپروتون‌هاست که می‌توانند آن‌ها را بدون نابودی در تماس با ماده، زنده نگه دارند. هرچند هنوز با فناوری‌های تخیلی مانند موتورهای خمش فضا در پیشتازان فضا فاصله داریم، اما این نزدیک‌ترین دستاورد به چنین فناوری‌هایی است که تاکنون روی زمین توسعه یافته است.»

باربارا لاتاکز، فیزیکدان در حال کار روی آزمایش BASE که به مقایسه ماده و پادماده می‌پردازد.

حل معمای غلبه ماده بر پادماده

فراتر از رویاهای علمی-تخیلی، این دستاورد می‌تواند به فیزیکدانان در حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان کمک کند: چرا جهان ما از ماده تشکیل شده و نه پادماده؟

استفان اولمر، فیزیکدان سرن (آزمایشگاه اروپایی فیزیک ذرات در نزدیکی ژنو) و سخنگوی آزمایش BASE، می‌گوید: «از دیدگاه فیزیکی، هیچ دلیلی وجود ندارد که ماده باید بیش از پادماده باشد.» با این حال، در کیهان تقریباً هیچ پادماده‌ای وجود ندارد، در حالی که ماده به وفور یافت می‌شود. اولمر توضیح می‌دهد: «انگیزه اصلی این آزمایش‌ها یافتن دلیل احتمالی عدم تقارن ماده و پادماده است.» یکی از دلایل احتمالی این پدیده می‌تواند تفاوت در گشتاور مغناطیسی پروتون و پادپروتون باشد.

گشتاور مغناطیسی و نقش آن در عدم تقارن

پروتون‌ها و پادپروتون‌ها دارای بار الکتریکی هستند (پروتون بار مثبت و پادپروتون بار منفی دارد). این بارها باعث می‌شود ذرات مانند آهنرباهای کوچکی عمل کنند که جهت آن‌ها بستگی به وضعیت اسپین آن‌ها دارد. قدرت و جهت این آهنرباها گشتاور مغناطیسی ذره نامیده می‌شود. اگر مشخص شود که گشتاور مغناطیسی پروتون و پادپروتون یکسان نیست، این می‌تواند توضیحی برای غلبه ماده بر پادماده در جهان باشد.

تاکنون، اندازه‌گیری‌ها هیچ تفاوتی بین این دو با دقت ۱.۵ قسمت در میلیارد نشان نداده‌اند. اما این اولین بار است که دانشمندان توانسته‌اند نوسانات گشتاور مغناطیسی تک پروتون‌ها یا پادپروتون‌ها (یا هر ذره بنیادی دیگر) را اندازه‌گیری کنند. آزمایش‌های مشابه قبلی فقط این پدیده را در یون‌ها یا اتم‌های باردار اندازه‌گیری کرده بودند.

باربارا لاتاکز، نویسنده اصلی این مطالعه از سرن و مؤسسه علوم پیشرفته RIKEN در ژاپن، می‌گوید: «اکنون می‌توانیم کنترل کامل بر وضعیت اسپین یک ذره داشته باشیم. برای فیزیکدانان بنیادی، این یک فرصت فوق‌العاده هیجان‌انگیز است.» محققان امیدوارند با این روش، دقت اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی در پروتون‌ها و پادپروتون‌ها را ۲۵ برابر بهبود بخشند.

آینده رایانه‌های کوانتومی پادماده‌ای

اگر روزی تفاوتی بین ماده و پادماده کشف شود یا ناهمخوانی دیگری بین آن‌ها یافت شود، آنگاه ساخت رایانه‌های کوانتومی پادماده‌ای با وجود تمام دشواری‌ها، ارزشمند خواهد بود. اولمر که او نیز در RIKEN مستقر است، می‌گوید: «اگر هرگونه شگفتی در عدم تقارن ماده و پادماده وجود داشته باشد، می‌تواند جالب باشد که اساساً همان محاسبات را با کیوبیت‌های ماده و پادماده انجام دهیم و نتایج را مقایسه کنیم.»

منبع