AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
CERN maakt eerste qubit van antimaterie, kwantumcomputer blijft nog ver weg
Natuurkundigen van CERN hebben voor het eerst een kwantumbit gemaakt van antimaterie. Ze hielden een enkel antiproton bijna een minuut lang schommelen tussen twee spintoestanden, een prestatie die nieuwe precisiemetingen aan antimaterie mogelijk maakt. Een kwantumcomputer op basis van antimaterie blijft voorlopig echter sciencefiction.
Het CERN-onderzoeksinstituut bij Genève heeft een mijlpaal bereikt in de kwantumfysica. De BASE-collaboratie, een internationale groep natuurkundigen die zich toelegt op antimaterieonderzoek, slaagde erin een qubit te maken met een antiproton: het negatief geladen spiegelbeeld van een proton. De onderzoekers hielden het deeltje 50 seconden lang stabiel schommelen tussen twee spintoestanden. Dat resultaat, gepubliceerd in het vakblad Nature, is de eerste keer dat zo'n samenhangende kwantumtoestand is waargenomen in een vrij antimateriedeeltje.
"Dit is de eerste antimaterie-qubit", zegt BASE-woordvoerder Stefan Ulmer in een verklaring van CERN. Volgens hem opent de doorbraak de deur naar een heel arsenaal aan precisiemeettechnieken die tot nu toe alleen voor gewone materie werden gebruikt. Ulmer verwacht dat toekomstige experimenten met antiprotonen tien tot honderd keer nauwkeuriger kunnen worden dan voorheen.
Een deeltje vasthouden zonder het te verstoren
Antimaterie is berucht lastig te bestuderen. Zodra het in contact komt met gewone materie, vernietigen beide elkaar in een flits van energie. Om dat te voorkomen, sluiten de CERN-onderzoekers een enkel antiproton op in een Penningval: een systeem van elektromagnetische velden dat het deeltje in een vacuümkamer zwevend houdt, ver van elke wand. Door storingen uit de omgeving zoveel mogelijk weg te filteren, konden de onderzoekers de spin van het antiproton omklappen en die toestand 50 seconden lang bewaren zonder dat de kwantuminformatie verloren ging door decoherentie. Ter vergelijking: veel qubits in bestaande kwantumcomputers verliezen hun coherentietijd al na een paar milliseconden.
Op zoek naar het verschil tussen materie en antimaterie
De echte waarde van het experiment zit niet in kwantumcomputing, maar in fundamentele natuurkunde. Volgens het Standaardmodel, de heersende theorie over deeltjes, zouden materie en antimaterie zich in vrijwel alles identiek moeten gedragen. Toch bestaat het heelal bijna uitsluitend uit materie, terwijl antimaterie nauwelijks van nature voorkomt. Dat raadsel houdt natuurkundigen al decennia bezig. Door het magnetisch moment van het antiproton -- hoe het zich gedraagt als een piepklein magneetje -- met steeds grotere precisie te vergelijken met dat van een gewoon proton, hopen onderzoekers een eventuele afwijking te ontdekken. Zo'n verschil zou duiden op een schending van de zogeheten CPT-symmetrie en kunnen wijzen op natuurkunde die het Standaardmodel niet verklaart.
Nog geen kwantumcomputer van antimaterie
Ondanks de doorbraak waarschuwen de onderzoekers zelf voor te hoge verwachtingen. Een werkende kwantumcomputer met antimaterie-qubits is voorlopig niet haalbaar. Antiprotonen zijn extreem schaars: ze ontstaan alleen kunstmatig, door deeltjes met hoge snelheid op een metalen doelwit te laten botsen. Vervolgens is een complexe combinatie van ultrahoog vacuüm en cryogene koeling nodig om er ook maar één beheersbaar te houden. Het opschalen naar een systeem met meerdere antimaterie-qubits zou de complexiteit exponentieel vergroten. Bestaande kwantumcomputers werken daarom met beter hanteerbare bouwstenen, zoals supergeleidende circuits, gevangen ionen of fotonen. De techniek van BASE is vooral bedoeld om de allernauwkeurigste natuurkundige metingen ooit te doen, niet om te rekenen.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze doorbraak levert geen kwantumcomputer op, maar wel een krachtiger instrument om de fundamentele regels van het heelal te testen. Als toekomstige metingen een verschil aantonen tussen antiprotonen en protonen, kan dat helpen verklaren waarom het heelal bijna uitsluitend uit materie bestaat. De techniek laat bovendien zien dat kwantumcontrole niet beperkt hoeft te blijven tot gewone materie.
- Antiproton
- Het antimateriedeeltje dat het spiegelbeeld is van een proton: dezelfde massa, maar tegenovergestelde lading.
- Penningval
- Een systeem van elektrische en magnetische velden waarmee geladen deeltjes zoals antiprotonen zwevend en geïsoleerd worden vastgehouden.
- CPT-symmetrie
- Het natuurkundige principe dat materie en antimaterie zich identiek zouden moeten gedragen als lading, positie en tijd tegelijk worden omgekeerd.
- Standaardmodel
- De huidige basistheorie in de natuurkunde die beschrijft uit welke deeltjes de wereld bestaat en hoe die op elkaar inwerken.
- Magnetisch moment
- Een maat voor hoe sterk een deeltje zich gedraagt als een piepklein magneetje, gebruikt om materie en antimaterie met elkaar te vergelijken.
- Qubit
- Zie qubit: de kwantumversie van een gewone bit, die niet alleen 0 of 1 kan zijn maar ook een mengvorm daarvan.
- Decoherentie
- Zie decoherentie: het proces waarbij een kwantumtoestand door verstoringen uit de omgeving zijn broze eigenschappen verliest.
- Coherentietijd
- Zie coherentietijd: hoe lang een qubit zijn kwantuminformatie kan vasthouden voordat die verloren gaat.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
