Hợp tác thí nghiệm Cân bằng Baryon-Antibaryon (BASE) tại CERN đã thiết lập một kỷ lục mới về thời gian nhất quán spin của một phản proton, một thành tựu đột phá trong lĩnh vực vật lý lượng tử. Công bố vào năm 2025, khám phá này mở ra những khả năng mới cho việc ứng dụng phản proton trong tính toán lượng tử và kiểm tra các lý thuyết vật lý cơ bản.
Các nhà nghiên cứu tại BASE đã thành công trong việc cô lập một phản proton duy nhất và duy trì trạng thái nhất quán spin của nó trong kỷ lục 50 giây. Kỹ thuật tiên tiến này, sử dụng bẫy Penning và quang phổ lượng tử, cho phép kiểm soát lượng tử chưa từng có đối với một hạt phản vật chất. Tiến sĩ Barbara Latacz, một trong những tác giả chính, nhấn mạnh tiềm năng của hệ thống bẫy mới để đạt được thời gian nhất quán spin dài hơn nữa, có thể gấp mười lần so với các thí nghiệm hiện tại.
Thành tựu này có ý nghĩa sâu sắc đối với sự hiểu biết về phản vật chất và vũ trụ. Phản proton, đối tác phản vật chất của proton, có cùng khối lượng nhưng mang điện tích trái dấu. Việc duy trì sự nhất quán spin của chúng là rất quan trọng cho các thí nghiệm chính xác nhằm kiểm tra các đối xứng cơ bản, đặc biệt là đối xứng CPT (tích điện, đối xứng không gian và đảo ngược thời gian). Sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ là một bí ẩn kéo dài, và các thí nghiệm như của BASE cung cấp những hiểu biết quan trọng để giải quyết vấn đề này.
Ngoài việc kiểm tra các lý thuyết vật lý cơ bản, nghiên cứu này còn có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực tính toán lượng tử. Khả năng thao tác và kiểm soát trạng thái lượng tử của phản proton đã dẫn đến việc tạo ra một "qubit phản vật chất" đầu tiên. Mặc dù qubit phản vật chất này có thể không được sử dụng trực tiếp trong máy tính lượng tử do những thách thức liên quan đến phản vật chất, nhưng nó mở ra triển vọng áp dụng các phương pháp quang phổ nhất quán cho các hệ thống vật chất và phản vật chất đơn lẻ trong các thí nghiệm chính xác.
Các nhà nghiên cứu tại BASE đã đạt được độ chính xác đáng kinh ngạc trong việc so sánh tỷ lệ điện tích trên khối lượng của proton và phản proton, với độ không chắc chắn chỉ 16 phần nghìn tỷ, cho thấy sự tương đồng cơ bản giữa hai hạt này. Các nghiên cứu liên quan từ các nhóm như ALPHA tại CERN cũng đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc làm mát các hạt và phản hạt, cho thấy sự tiến bộ chung trong lĩnh vực nghiên cứu phản vật chất. Những nỗ lực tập thể này đang thúc đẩy ranh giới của vật lý lượng tử và sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.