Dem Team der BASE-Kollaboration am europ盲ischen Kernforschungszentrum CERN in Genf ist ein Durchbruch in der Antimaterieforschung gelungen: Erstmals konnten die Forschenden ein einzelnes Antiproton 鈥� das Antimateriependant des Protons 鈥� fast eine Minute lang kontrolliert zwischen zwei Spin-Quantenzust盲nden hin- und herpendeln lassen. Zu der Kollaboration geh枚ren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zahlreicher internationaler Institutionen, darunter auch Forschende des Exzellenzclusters QuantumFrontiers der Leibniz 鲍苍颈惫别谤蝉颈迟盲迟 Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt.
Die nun in der Fachzeitschrift Nature ver枚ffentlichte Studie markiert die weltweit erste Realisierung eines Quantenbits (kurz Qubits) aus Antimaterie. 鈥濪ies ist ein Meilenstein, der eine v枚llig neue Qualit盲t in der Kontrolle von Antiteilchen darstellt, sagt Prof. Dr. Christian Ospelkaus vom Institut f眉r Quantenoptik der LUH, dessen Team an den Arbeiten beteilig ist.
Antiprotonen besitzen dieselbe Masse wie Protonen, tragen jedoch eine entgegengesetzte elektrische Ladung. Beide Teilchen verhalten sich wie winzige Stabmagnete: Ihr so genannten Spin zeigt 鈥� vergleichbar mit einer Kompassnadel 鈥� in eine von zwei Richtungen. Das pr盲zise Messen des damit einhergehenden so genannten magnetischen Moments, insbesondere durch kontrolliertes 鈥濽mklappen鈥� des Spins, z盲hlt zu den zentralen Werkzeugen der modernen Quantenmesstechnik. Denn hier眉ber k枚nnen fundamentale Naturgesetze experimentell 眉berpr眉ft werden.
Bei der in Nature vorgestellten Studie kam die Methode der 鈥瀔oh盲renten Spin-Quanten眉bergangsspektroskopie鈥� zum Einsatz. Dieses erm枚glicht die hochpr盲zise Manipulation und Beobachtung einzelner Spinzust盲nde. Hintergrund der Messungen war der Test der so genannten CPT-Symmetrie (Ladung, Parit盲t, Zeitumkehr). Sie fordert, dass sich Materie und Antimaterie 鈥� abgesehen von ihren entgegengesetzten Ladungen 鈥� exakt gleich verhalten. Sie sollten also im Universum auch gleich h盲ufig auftreten. Tats盲chlich aber zeigt die Welt eine erhebliche Asymmetrie: Sie besteht nahezu vollst盲ndig aus Materie. Dies ist ein bis heute ungel枚stes R盲tsel der modernen Physik.
Bisher konnten solche koh盲renten Quanten眉berg盲nge beispielsweise an makroskopischen Teilchenensembles oder in der Hyperfeinstruktur gespeicherter Ionen nachgewiesen werden. Die BASE-Kollaboration hat nun erstmals einen solchen Spin眉bergang bei einem einzelnen, freien Kernspin eines Antiprotons koh盲rent demonstriert und beobachtet 鈥� was physikalisch und technisch eine enorme Herausforderung ist.
鈥濫ine gute Analogie hierf眉r ist eine Kinderschaukel鈥�, erkl盲rt BASE-Sprecher Prof. Dr. Stefan Ulmer vom Institut f眉r Experimentalphysik der HHU: 鈥濿ird sie mit der richtigen Frequenz angesto脽en, schwingt sie rhythmisch hin und her. In unserem Fall ist die Schaukel der Spin eines einzelnen Antiprotons, den wir mithilfe elektromagnetischer Felder gezielt in Schwingung versetzen. Wir konnten dar眉ber hinaus eine Koh盲renzzeit von 50 Sekunden erreichen.鈥�
Die f眉r das Experiment ben枚tigten Antiprotonen wurden in der Antimateriefabrik (kurz AMF) des CERN erzeugt und in sogenannten Penning-Fallen 鈥� hochpr盲zisen elektromagnetischen Instrumenten zur exakten Teilchenkontrolle 鈥� gespeichert. Anschlie脽end wurden sie einzeln in ein separates Mehrfachfallensystem 眉berf眉hrt, in dem ihre Spinzust盲nde gemessen und manipuliert werden k枚nnen. 鈥濪ies ist nichts anderes als ein Qubit, das aus einem einzelnen Antiproton-Spin besteht鈥�, sagt CERN-Wissenschaftlerin Dr. Barbara Maria Latacz, die Erstautorin der Studie.
F眉r mehr Pr盲zision f眉r nieders盲chsische Atomuhren und Quantencomputer
Quanten-Bits oder Qubits spielen an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der Leibniz 鲍苍颈惫别谤蝉颈迟盲迟 Hannover eine wichtige Rolle. Die Arbeitsgruppe von Prof. Christian Ospelkaus, die an den Arbeiten der BASE Kollaboration beteiligt ist, entwickelt Quantencomputer basierend auf gespeicherten Ionen. Mit diesen Methoden lie脽en sich weitere Verbesserungen der Messgenauigkeit an Protonen und Antiprotonen erzielen, indem Rechenoperationen von Quantencomputern auf die 鈥濧ntiprotonen-Qubits鈥� angewendet w眉rden. 鈥濪urch solche 鈥歈uantengatter鈥� k枚nnte das Antiproton 眉ber ein gespeichertes Ion manipuliert werden und der Quantenzustand des Antiprotons auf ein gespeichertes Ion 眉bertragen werden鈥�, so Ospelkaus. An der PTB wird diese Methode auch f眉r Atomuhren und f眉r extrem pr盲zise Spektroskopie an Molek眉lionen und hochgeladenen Ionen verwendet.
Durch umfassende Verbesserungen am Aufbau gelang es der BASE-Kollaboration, Dekoh盲renzmechanismen systematisch zu unterdr眉cken und so die erste koh盲rente Spektroskopie eines Antiprotonspins zu erm枚glichen. Damit erzeugte das Forschungsteam nicht nur ein stabiles Antimaterie-Qubit, sondern sie erm枚glichten auch v枚llig neue Messmethoden.
Der n盲chste gro脽e Schritt ist bereits geplant: Mit dem neu entwickelten BASE-STEP-System sollen Antiprotonen k眉nftig in transportablen Pr盲zisionsfallen aus dem Umfeld der AMF in besonders pr盲parierte Pr盲zisionslabore gebracht werden. Dort k枚nnen bis zu zehnmal l盲ngere Spinkoh盲renzzeiten erzielt und damit eine weit h枚here Messgenauigkeit erreicht werden.
Die BASE-Kollaboration
Die 2012 gegr眉ndete Kollaboration mit Sitz an der AMF am CERN umfasst Forschungsinstitute in Deutschland, Japan, dem Vereinigten K枚nigreich und der Schweiz. Zu ihr geh枚ren:
- Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig
- GSI Helmholtzzentrum f眉r Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt
- Heinrich-Heine-鲍苍颈惫别谤蝉颈迟盲迟 D眉sseldorf
- CERN, Genf
- Leibniz 鲍苍颈惫别谤蝉颈迟盲迟 Hannover
- Max-Planck-Institut f眉r Kernphysik, Heidelberg
- Imperial College London
- Johannes-Gutenberg-鲍苍颈惫别谤蝉颈迟盲迟 Mainz
- RIKEN, Japan
- 鲍苍颈惫别谤蝉颈迟盲迟 Tokio
- ETH Z眉rich
Originalpublikation:
B. M. Latacz, S. R. Erlewein, M. Fleck, J. I. J盲ger, F. Abbass, B. P. Arndt, P. Geissler, T. Imamura, M. Leonhardt, P. Micke, A. Mooser, D. Schweitzer, F. Voelksen, E. Wursten, H. Yildiz, K. Blaum, J. A. Devlin, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, A. Soter, J. Walz, Y. Yamazaki, C. Smorra, and S. Ulmer. Coherent Spectroscopy with a Single Antiproton Spin. Nature (2025)
DOI: 10.1038/s41586-025-09323-1
