Il primo qubit di antimateria potrebbe aiutare a svelare i misteri cosmici / First-Ever Antimatter Qubit Could Help Crack Cosmic Mysteries

Il primo qubit di antimateria potrebbe aiutare a svelare i misteri cosmici / First-Ever Antimatter Qubit Could Help Crack Cosmic Mysteries

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Il primo qubit di antimateria aiuterà a cercare le differenze tra materia ed antimateria.

Per la prima volta, i fisici hanno creato un bit quantistico, o qubit, l'unità di memoria fondamentale di un computer quantistico, partendo dall'antimateria. I ricercatori hanno utilizzato campi magnetici per intrappolare un singolo antiprotone – la versione in antimateria dei protoni all'interno degli atomi – e hanno misurato la velocità con cui il suo spin cambiava direzione per quasi un minuto intero. I risultati sono stati pubblicati il 23 luglio sulla rivista Nature.

I computer quantistici basati su qubit di antimateria sono ancora lontani e sarebbero molto più difficili da realizzare rispetto ai computer quantistici basati sulla materia, che sono già estremamente complessi. L'impresa è tuttavia entusiasmante per ciò che tali esperimenti sull'antimateria potrebbero rivelare sull'universo stesso.

Lo spin di una particella può essere in uno stato "su" o "giù", proprio come un bit di un computer può assumere uno stato "0" o "1". Ma mentre un bit classico deve trovarsi in uno degli ultimi due stati, lo spin del qubit antiprotonico potrebbe essere su, giù od una qualsiasi combinazione di entrambi contemporaneamente. Questa fantastica capacità dei qubit è ciò che li distingue dai bit classici e promette che un giorno i computer quantistici offriranno incredibili miglioramenti in termini di velocità e capacità di calcolo rispetto ai computer odierni.

L'esperimento ha dimostrato un livello di controllo senza precedenti sull'antimateria, afferma il fisico Vincenzo Vagnoni dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), non coinvolto nell'esperimento. "Questo grazie allo sviluppo [da parte dei ricercatori] di trappole magnetiche antiprotoniche altamente efficienti, in grado di mantenere gli antiprotoni 'vivi' senza che si annichilino con la materia. Sebbene siamo ancora lontani dai motori a curvatura della saga di Star Trek, questa è la cosa più vicina ad essi che sia stata sviluppata finora sulla Terra", afferma Vagnoni, riferendosi ai motori a curvatura della saga di fantascienza alimentati ad antimateria.

Mettendo da parte le aspirazioni fantascientifiche, questa scoperta potrebbe aiutare i fisici a risolvere il mistero del perché l'universo sia dominato dalla materia e non dall'antimateria, in altre parole, perché l'universo che ci circonda esista.

"Se si considera solo la fisica, non c'è assolutamente alcun motivo per cui dovrebbe esserci più materia che antimateria", afferma Stefan Ulmer, fisico del CERN, il laboratorio europeo per la fisica delle particelle vicino a Ginevra, e portavoce del suo esperimento di simmetria barionica e antibarionica (BASE). Eppure non c'è quasi antimateria nel cosmo, mentre la materia è abbondante. "La grande motivazione di questi esperimenti è: stiamo cercando la ragione per cui potrebbe esserci un'asimmetria materia-antimateria", afferma Ulmer. Una possibile ragione potrebbe essere una differenza tra protone e antiprotone in una proprietà chiamata momento magnetico.

Protoni e antiprotoni hanno carica elettrica: la carica del protone è positiva, quella dell'antiprotone è negativa. Queste cariche fanno sì che le particelle si comportino come piccole barre magnetiche che puntano in direzioni diverse a seconda dell'orientamento del loro spin. La forza e l'orientamento del magnete sono chiamati momento magnetico della particella. Se si scoprisse che i momenti magnetici di protoni e antiprotoni non sono gli stessi, questo potrebbe spiegare perché la materia ha prevalso sull'antimateria nell'universo.

Finora, le misurazioni non hanno rilevato alcuna differenza tra i due con una precisione di 1,5 parti su un miliardo. Ma gli scienziati non erano mai stati in grado di misurare l'oscillazione del momento magnetico di singoli protoni o antiprotoni, o di altre particelle fondamentali. Esperimenti simili precedenti misuravano il fenomeno solo in ioni od atomi carichi. "Ora possiamo avere il pieno controllo sullo stato di spin di una particella", afferma Barbara Latacz, autrice principale del nuovo studio, del CERN e del RIKEN Advanced Science Institute in Giappone. "Per i fisici fondamentali, è un'opportunità davvero entusiasmante". I ricercatori sperano di utilizzare la tecnica per migliorare la precisione della misurazione del momento magnetico in protoni e antiprotoni di un fattore 25.

Se mai scoprissero una differenza o trovassero qualche altra discrepanza tra materia ed antimateria, allora i computer quantistici ad antimateria potrebbero valere la pena di essere costruiti, nonostante la difficoltà. "Se c'è qualche sorpresa nell'asimmetria materia-antimateria, potrebbe essere interessante fare sostanzialmente gli stessi calcoli con qubit di materia e qubit di antimateria e confrontare i risultati", afferma Ulmer, che lavora anche lui al RIKEN.

ENGLISH

The first antimatter qubit will help search for differences between matter and antimatter

Physicists have created a quantum bit, or qubit, the fundamental storage unit of a quantum computer, out of antimatter for the first time. The researchers used magnetic fields to trap a single antiproton—the antimatter version of the protons inside of atoms—and measured how fast its spin changed direction for almost a full minute. The findings were published on July 23 in the journal Nature.

Quantum computers made of antimatter qubits are still a long way off and would be much harder to build than matter quantum computers—which are already extremely tricky. The feat is exciting, however, because of what such antimatter experiments could reveal about the universe itself.

A particle’s spin can be in a state of “up” or “down,” just like a computer bit can take on a state of “0” or “1.” But where a classical bit must be in either of the latter two states, the antiproton qubit’s spin could be up, down or any combination of both at the same time. This fantastical ability of qubits is what sets them apart from classical bits and promises that quantum computers will one day offer incredible improvements in calculation speed and ability compared with today’s computers.

The experiment demonstrated an unprecedented level of control over antimatter, says physicist Vincenzo Vagnoni of the Italian National Institute of Nuclear Physics (INFN), who was not involved in the experiment. “This is thanks to [the researchers’] development of highly efficient antiproton magnetic traps, which can keep antiprotons ‘alive’ without them annihilating with matter. While we are still far from the curvature engines of the Star Trek saga, this is the closest thing to them that has been developed on Earth so far,” Vagnoni says, referring to the science-fiction franchise’s warp drive engines fueled by antimatter.

Setting sci-fi aspirations aside, the achievement could help physicists solve the mystery of why the universe is dominated by matter and not antimatter—in other words, why the universe around us exists at all.

“If you are just looking into the physics, there’s absolutely no reason why there should be more matter than antimatter,” says Stefan Ulmer, a physicist at CERN, the European laboratory for particle physics near Geneva, and spokesperson for its Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE). Yet there is almost no antimatter in the cosmos, whereas matter is abundant. “The big motivation for these experiments is: we are looking for the reason why there might be a matter-antimatter asymmetry,” Ulmer says. One potential reason could be a difference between the proton and the antiproton in a property called the magnetic moment.

Protons and antiprotons have electric charge—the proton’s charge is positive, and the antiproton’s is negative. These charges make the particles act like little bar magnets that point in different directions depending on the orientation of their spin. The strength and orientation of the magnet is called the particle’s magnetic moment. If it turns out that the magnetic moments of protons and antiprotons are not the same, that could explain why matter won out over antimatter in the universe.

So far, measurements have found no difference between the two to an accuracy of 1.5 parts in a billion. But scientists had never before been able to measure the oscillation of the magnetic moment of single protons or antiprotons—or of any other fundamental particles. Similar previous experiments only measured the phenomenon in ions or charged atoms. “We can now have full control over the spin state of a particle,” says the new study’s lead author Barbara Latacz of CERN and the RIKEN Advanced Science Institute in Japan. “For fundamental physicists, it’s a super exciting opportunity.” The researchers hope to use the technique to improve the precision of the measurement of the magnetic moment in protons and antiprotons by a factor of 25.

If they ever discover a difference or find some other discrepancy between matter and antimatter, then antimatter quantum computers could become worth building, despite the difficulty. “If there is any surprise in matter-antimatter asymmetry, it could be interesting to do basically the same calculations with matter qubits and antimatter qubits and compare the results,” says Ulmer, who is also based at RIKEN.

Da:

https://www.scientificamerican.com/article/scientists-create-first-antimatter-qubit/?utm_source=Klaviyo&utm_medium=email&utm_campaign=Space+%26+Physics+7%2F31%2F25&utm_term=First-Ever+Antimatter+Qubit+Could+Help+Crack+Cosmic+Mysteries&_kx=FnaQmlR6EVAuXhcklyz3J0wXeWfvWHLABcHdj6lQhAAQj9HRvmYVHoCALKAFC14s.WEer5A