خوانندگانی که پوشش‌های ما در زمینهٔ «فیزیک وجودی» را دنبال می‌کنند، شاید خبر پیشرفت اخیر سرن (CERN) دربارهٔ دوقلوی شیطانی ماده—یعنی پادماده—را به یاد داشته باشند. یکی از رازهای حل‌نشده در فیزیک این است که جهان ما حاوی مادهٔ بیشتری نسبت به پادماده است، در حالی که بیشتر پیش‌بینی‌های نظری چنین تفاوتی را انتظار ندارند. از این رو، دانشمندان به‌درستی به‌دنبال یافتن پاسخ این پرسش‌اند که چرا و چگونه این عدم‌تقارن به وجود آمده است.
اکنون سرن یک گام بزرگ دیگر در مطالعهٔ پادماده برداشته—و این بار، این دستاورد به قلمرو رایانش کوانتومی نیز وارد می‌شود. در مقاله‌ای که در ۲۳ ژوئیه در نشریهٔ Nature منتشر شد، همکاری علمی موسوم به «آزمایش تقارن باریون–آنتی‌باریون» یا BASE در سرن، نخستین نمایش عملیاتی از یک بیت کوانتومی پادماده یا کوبیت (qubit) را اعلام کرد—کوچک‌ترین واحد اطلاعات در رایانه‌های کوانتومی.
کوبیتی که در این آزمایش استفاده شده، یک پادپروتون است—همتای پادماده‌ای پروتون—که در نوسانی کوانتومی و عجیب به دام افتاده: در حرکتی هماهنگ، بین حالت اسپینی «بالا» و «پایین» رفت و برگشت می‌کند. این نوسان به‌مدت ۵۰ ثانیه ادامه داشت. پژوهشگران می‌گویند مهارت فنی که برای دستیابی به این نتیجه به‌کار گرفته شد، جهشی چشمگیر در درک ما از پادماده به شمار می‌آید.
در این آزمایش، تیم تحقیقاتی از روشی به‌نام «طیف‌سنجی انتقال کوانتومی همدوس» (coherent quantum transition spectroscopy) استفاده کرد؛ روشی که با دقتی خیره‌کننده، گشتاور مغناطیسی ذره را اندازه‌گیری می‌کند—یعنی رفتار آن درون میدان‌های مغناطیسی. نخست، تیم مقداری پادپروتون از کارخانهٔ پادمادهٔ سرن دریافت کرد و آن‌ها را در یک تلهٔ الکترومغناطیسی به‌نام «تلهٔ پنینگ» (Penning trap)—ترکیبی از میدان‌های مغناطیسی—به دام انداخت. سپس، یک سیستم چندتله‌ای دوم نیز درون همان آهنربا نصب شد تا پادپروتون‌ها به‌صورت جداگانه استخراج شده و در طی فرآیند، حالت‌های اسپینی آن‌ها اندازه‌گیری و تنظیم شوند.
حالت‌های کوانتومی بسیار شکننده‌اند و به‌آسانی با کوچک‌ترین عامل بیرونی به‌هم می‌ریزند. یک اختلال جزئی می‌تواند آن‌ها را بلافاصله وارد چرخهٔ «واهمدوسی» (decoherence) کند—جایی که سیستم، اطلاعات ارزشمندی را که فیزیک‌دانان به‌دنبال آن هستند، از دست می‌دهد. همین محدودیت بنیادی در سامانه‌های کوانتومی یکی از دغدغه‌های اصلی گروه BASE بود؛ گروهی که در سال ۲۰۱۷ با استفاده از پیکربندی‌ای مشابه، تأیید کرده بود که پروتون و پادپروتون تقریباً گشتاور مغناطیسی یکسانی دارند.
تیم تحقیقاتی تغییرات اساسی در فناوری خود اعمال کرد و تمرکز ویژه‌ای بر توسعهٔ سازوکارهایی داشت که واهمدوسی را سرکوب یا حذف کند. این تلاش‌ها نتیجه داد؛ پادپروتون موفق شد نوسانی پایدار و کوانتومی به‌مدت ۵۰ ثانیه انجام دهد—حرکتی مشابه با حالت برهم‌نهی (superposition) در کوبیت‌ها، که به‌طور نظری می‌تواند امکان ذخیرهٔ حجم عظیمی از اطلاعات را فراهم سازد. افزون بر این، این نخستین‌باری بود که فیزیک‌دانان توانستند چنین پدیده‌ای را در یک گشتاور مغناطیسی هسته‌ای آزاد و منفرد مشاهده کنند؛ در حالی که آزمایش‌های قبلی فقط آن را در گروه‌های بزرگی از ذرات ثبت کرده بودند.
باربارا لاتاتس (Barbara Latacz)، نویسندهٔ اصلی این مطالعه و فیزیک‌دان سرن، در ایمیلی به Gizmodo گفت:
«بلافاصله یک بطری شامپاین باز کردیم—یکی از بهترین لحظات زندگی‌ام بود! رسیدن به نقطه‌ای که بتوانیم طیف‌سنجی حالت اسپین همدوس را مشاهده کنیم، پنج سال کار سخت و متعهدانه برای ارتقاء آزمایشی که از پیش هم بسیار پیچیده بود، زمان برد. وقتی تلاش‌های شما و همکارانتان به ثمر می‌نشیند، بسیار رضایت‌بخش است.»
استفان اولمر (Stefan Ulmer)، سخنگوی پروژهٔ BASE نیز در بیانیه‌ای گفت:
«این، نخستین کوبیت پادماده‌ای است و افق‌های تازه‌ای را برای به‌کارگیری کامل روش‌های طیف‌سنجی همدوس در سامانه‌های منفرد ماده و پادماده در آزمایش‌های دقیق می‌گشاید.»
با این حال، تیم تحقیقاتی باور ندارد که نتایج جدید به‌زودی به استفاده از کوبیت‌های پادماده در رایانش کوانتومی منجر شود—حداقل نه در آیندهٔ نزدیک.
باربارا لاتاتس توضیح داد:
«در حال حاضر، استفاده از [کوبیت پادماده] برای رایانه‌های کوانتومی منطقی نیست، زیرا به‌طور ساده، مهندسی مربوط به تولید و ذخیرهٔ پادماده بسیار دشوارتر از مادهٔ عادی است.» او افزود که از آنجا که ماده و پادماده در ویژگی‌های بنیادی یکسان هستند، استفاده از پادماده در عمل توجیه‌پذیر نیست.
«اما اگر در آینده دریابیم که پادماده رفتاری متفاوت از ماده دارد، آنگاه ممکن است در نظر گرفتن این گزینه جالب شود.»
به گفتهٔ لاتاتس، تیم همچنان امیدوار به انجام بهبودهای بیشتری در آینده‌ای نزدیک است. این به‌روزرسانی‌ها که با عنوان BASE-STEP شناخته می‌شوند، ظرفیت ما را برای مطالعهٔ دقیق‌تر پادپروتون‌ها به‌شکل چشمگیری افزایش خواهند داد و به ما امکان خواهند داد تا
«اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی پادپروتون را حداقل ۱۰ برابر دقیق‌تر کنیم، و در چشم‌اندازی بلندمدت حتی تا ۱۰۰ برابر»، او گفت.
این دستاورد جدید می‌تواند به پیشرفت‌هایی در مهندسی رایانش کوانتومی، ساعت‌های اتمی و حوزه‌های دیگر کمک کند. اما همان‌طور که پژوهشگران تأکید دارند، چنین کاربردهای فناورانه‌ای چیزی نیست که به این زودی‌ها انتظار وقوعش را داشته باشیم. با این حال، خودِ این نتیجه، درس‌هایی شگفت‌انگیز برای فیزیک بنیادی در بر دارد—پرسش‌هایی که شاید سال‌ها طول بکشد تا به پاسخشان برسیم. به‌قول فیزیک‌دان شان کارول در واکنش به کشف اخیر دیگر سرن:
«خب، این قطعه‌ای کوچک از یک پازل بسیار بزرگ‌تر است—اما می‌دانید، هر قطعه مهم است.»