Criado um qubit de antimatéria

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/07/2025

Representação da antimatéria (esquerda) e uma armadilha para guardar antimatéria.
[Imagem: Chukman So/Wurtele Research Group]

Antiqubit

Em um avanço para a pesquisa de antimatéria, uma equipe do LHC (Grande Colisor de Hádrons) conseguiu manter um antipróton - a contraparte de antimatéria do próton - oscilando suavemente entre dois estados quânticos diferentes por quase um minuto.

Esta é a primeira demonstração de um bit quântico de antimatéria, ou qubit, e sua realização mostra uma via experimental que permitirá fazer comparações substancialmente mais precisas entre o comportamento da matéria e da antimatéria (veja O que acontece quando a matéria encontra a antimatéria?).

Partículas como o antipróton, que tem a mesma massa mas carga elétrica oposta à do próton, se comportam como barras magnéticas em miniatura, que podem apontar em uma de duas direções, dependendo do seu spin, o momento magnético da partícula.

O modo como esses momentos magnéticos se alternam é medido por uma técnica chamada espectroscopia de transição quântica coerente, uma ferramenta essencial nas pesquisas sobre sensores quânticos e no processamento quântico de informações. Essas medições também permitem fazer testes de alta precisão das leis fundamentais da natureza, incluindo a simetria carga-paridade-tempo (CPT), que afirma que matéria e antimatéria se comportam de forma idêntica - o problema é que isso contradiz a observação de que a matéria supera em muito a antimatéria no Universo.

Embora transições quânticas coerentes já tenham sido observadas em grandes coleções de partículas e em íons aprisionados, elas nunca haviam sido observadas em um único átomo (mais precisamente, em um único momento magnético nuclear livre), como os que aparecem nas ilustrações dos livros didáticos de física.

O feito coube à colaboração BASE (sigla em inglês para Experimento da Simetria Bárion-Antibárion), um experimento que estuda antiprótons produzidos na fábrica de antimatéria do CERN, a entidade que administra o LHC.

A mais nova versão do experimento, uma armadilha multi-Penning, permitiu demonstrar transições quânticas de spin coerente com um único antipróton.
[Imagem: B. M. Latacz et al. - 10.1038/s41586-025-09323-1]

Medições de antimatéria

Para fazer as medições, a equipe confina os antiprótons dentro de um aparato especial chamado armadilha de Penning, uma espécie de garrafa para guardar antimatéria.

O experimento pode ser comparado a empurrar uma criança em um balanço: Com o empurrão certo, o balanço se move para frente e para trás em um ritmo perfeito. Agora imagine que o balanço é um único antipróton preso, oscilando entre seus estados de spin "para cima" e "para baixo" em um ritmo suave e controlado.

Isso torna a partícula de antimatéria um qubit de pleno direito, não apenas podendo representar dois estados binários, como também apresentar a superposição, a propriedade quântica que faz com que ele possa conter ambos os valores ao mesmo tempo.

A colaboração BASE conseguiu isso usando um sistema sofisticado de armadilhas eletromagnéticas para dar ao antipróton o "empurrão" certo no momento certo. E, como esse balanço tem propriedades quânticas, o qubit de antimatéria pode até apontar em direções diferentes ao mesmo tempo.

O qubit de antimatéria oscila tão suavemente quanto um balanço - mas provavelmente não servirá para computadores quânticos.
[Imagem: B. M. Latacz et al. - 10.1038/s41586-025-09323-1]

Salto quântico. Mas não para computadores

Usando a primeira versão desse experimento, a colaboração BASE já havia demonstrado que as magnitudes dos momentos magnéticos do próton e do antipróton são idênticas com uma diferença de apenas algumas partes por bilhão - qualquer pequena diferença em suas magnitudes quebraria a simetria carga-paridade-tempo e apontaria para uma nova física além do Modelo Padrão da física de partículas.

No entanto, aquele resultado anterior usou uma técnica de espectroscopia incoerente, na qual as transições quânticas eram perturbadas por flutuações do campo magnético e interferências nas medições. Nesta atualização do experimento, esses mecanismos de decoerência foram eliminados, culminando na primeira espectroscopia coerente de um spin antiprotônico. A equipe conseguiu isso por um período - chamado tempo de coerência do spin - de 50 segundos.

"Isso representa o primeiro qubit de antimatéria e abre a perspectiva de aplicar todo o conjunto de métodos de espectroscopia coerente a sistemas individuais de matéria e antimatéria em experimentos de precisão," disse Stefan Ulmer, porta-voz da BASE. "Mais importante ainda, isso ajudará a BASE a realizar medições de momento antipróton em experimentos futuros com precisão de 10 a 100 vezes maior."

Embora os qubits sejam os blocos de construção básicos dos computadores quânticos, é largamente improvável que o qubit de antimatéria demonstrado agora tenha aplicações imediatas fora da física fundamental - colocar armadilhas de antimatéria para segurar os qubits seria um complicador indesejado para qualquer projeto de computador quântico.

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