L'équipe de collaboration BASE au CERN a annoncé avoir préparé et manipulé avec succès pour la première fois un « qubit d'antimatière », réalisant ainsi des mesures d'une précision quantique sans précédent sur un seul antiproton. Ce résultat a été publié dans la revue Nature. Au cours de l’expérience, l’équipe a piégé un seul antiproton dans le dispositif et a laissé sa rotation basculer en douceur entre deux états quantiques pendant près d’une minute, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour comparer le comportement de la matière et de l’antimatière avec une précision extrêmement élevée.

Les antiprotons sont la contrepartie antimatière des protons. Ils ont la même masse mais des charges opposées. Ils ont également des propriétés de spin similaires à celles des minuscules aimants. La direction de rotation ne peut prendre que l’un des deux états suivants. L'observation des états de spin et de leurs processus de transition est cruciale pour la détection quantique, les mesures de très haute précision et pour tester si la matière et l'antimatière sont véritablement « symétriques » selon les lois de la physique, y compris le principe de base de la physique des particules : la symétrie CPT. Selon le modèle standard, les particules et les antiparticules devraient avoir la même masse et la même durée de vie. La principale différence se reflète uniquement dans les propriétés liées à la charge. Par conséquent, la comparaison des protons et des antiprotons élément par élément avec une précision extrêmement élevée est l’un des principaux moyens de tester cette théorie.

Afin de réaliser cette expérience, les chercheurs ont utilisé une technologie appelée « spectroscopie de transition quantique cohérente » pour mesurer avec précision les changements entre les états de spin tout en minimisant l'impact du bruit ambiant. Cette technologie a été largement utilisée en métrologie, en traitement de l’information quantique, en mesures magnétiques et en tests de précision du modèle standard. Lors d’expériences précédentes sur les protons et les deutons, il a obtenu des mesures de spectroscopie maser à haute résolution inférieures à un niveau d’une partie par billion.

Dans le passé, de telles expériences spectroscopiques reposaient principalement sur des « statistiques de masse de particules », mais cette fois, l'équipe BASE a fait une percée en appliquant la méthode aux « spins nucléaires libres uniques ». Dans le système de piège Penning à basse température, les chercheurs ont d'abord mesuré l'état de spin des antiprotons en utilisant l'effet Stern-Gerlach continu, puis les ont transférés dans un piège de précision doté d'un champ magnétique hautement stable. Ils ont utilisé la mesure de projection quantique pour générer et analyser le comportement quantique cohérent des antiprotons.

L’expérience a également permis d’observer pour la première fois clairement le phénomène d’oscillation de Rabi dans un système de spin d’antiprotons. L'oscillation dite de Rabi est un processus dans lequel un système quantique effectue périodiquement une transition entre deux niveaux d'énergie entraînés par un champ électromagnétique résonant externe. Sa fréquence (fréquence Rabi) dépend de l'intensité de l'interaction. Cet effet est un outil fondamental en informatique quantique, en résonance magnétique et en physique atomique car il permet aux chercheurs de manipuler avec précision les états quantiques des atomes, des ions et des qubits.

Dans les mesures de séries chronologiques, l’équipe a atteint une probabilité de retournement de rotation de plus de 80 % et un temps de cohérence de rotation d’environ 50 secondes. Dans le test de résonance de spin sur une seule particule, la probabilité de retournement de spin dépassait 70 % et la largeur de la raie de transition était 16 fois plus étroite que celle des expériences similaires précédentes, ce qui a grandement amélioré la précision des mesures ; le facteur limitant provenait principalement de l'effet de décohérence lié à la mesure de fréquence cyclotron. La collaboration BASE a déjà démontré que les moments magnétiques des protons et des antiprotons sont très cohérents avec une précision de quelques parties par milliard, ce qui indique qu'ils sont presque complètement symétriques dans leurs propriétés magnétiques. Stefan Ulmer, responsable du projet, a déclaré qu'à l'avenir, grâce à cette nouvelle méthode, la précision de la mesure du moment magnétique de l'antiproton devrait être encore améliorée de 10 à 100 fois.

Bien que le terme « qubit » soit souvent associé à l’informatique quantique, les chercheurs ont souligné que le qubit d’antimatière obtenu cette fois-ci ne se traduira pas directement par des applications d’ingénierie ou de technologie informatique à court terme. Sa véritable valeur scientifique réside dans le fait qu’elle donne aux physiciens une précision et des moyens sans précédent pour examiner les propriétés de l’antimatière à une échelle fondamentale et effectuer des comparaisons plus rigoureuses avec la matière ordinaire, fournissant ainsi des indices importants pour expliquer pourquoi l’univers est presque entièrement dominé par la matière, alors que la non-matière et l’antimatière coexistent dans une égale mesure.

Barbara Rattage, la première auteure de l'article, a révélé que l'équipe avait jeté son dévolu sur la prochaine étape du projet BASE-STEP : un système conçu pour transférer les antiprotons piégés dans le piège vers un environnement plus silencieux doté d'un champ magnétique. Théoriquement, cela prolongera le temps de cohérence de spin d’environ un ordre de grandeur, ce qui revêt une importance capitale pour faire progresser l’étude de l’antimatière baryonique. L'équipe de recherche estime qu'en combinant une technologie avancée de manipulation quantique avec un équipement expérimental de très haute précision, l'humanité est entrée dans une nouvelle ère de mesure de précision dans le domaine de la recherche sur l'antimatière et est sur le point de révéler les causes sous-jacentes de l'asymétrie matière-antimatière dans l'univers.

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CERN, revue Nature