Le CERN crée le premier qubit d’antimatière et repousse les frontières de la physique

La mise en évidence du premier bit quantique d’antimatière pourrait permettre d’améliorer considérablement les tests sur les symétries fondamentales de la nature

Réalisant une avancée majeure dans les recherches sur l’antimatière, la collaboration BASE au CERN a réussi à faire osciller un antiproton – l’alter ego du proton dans l’antimatière – entre deux états quantiques pendant près d’une minute alors qu’il était piégé. Cette prouesse, annoncée dans une étude publiée ce jour dans la revue Nature, constitue la première mise en évidence d’un bit quantique d’antimatière, ou qubit, et ouvre la voie à des progrès importants dans la comparaison des propriétés de la matière et de l’antimatière

Certaines particules, telles que l’antiproton, de même masse que le proton mais de charge électrique opposée, se comportent comme de minuscules barres aimantées orientées dans l’un des deux sens possibles selon leur spin (propriété intrinsèque en mécanique quantique).

La mesure des caractéristiques de l’inversion des moments magnétiques par la technique dite de spectroscopie cohérente de la transition quantique constitue un outil efficace pour la détection quantique et le traitement de l’information. Cela permet également de tester avec une grande précision les lois fondamentales de la nature, notamment la symétrie charge-parité-temps. Selon cette symétrie, la matière et l’antimatière se comportent de manière identique, ce qui semble contredire l’observation selon laquelle la matière l’emporte largement sur l’antimatière dans l’Univers.

Les particules possèdent des caractéristiques quantiques difficiles à appréhender, comme le fait de pouvoir interférer avec elles-mêmes, comme l’a montré l’expérience de la double fente. Les interactions avec le milieu environnant peuvent rapidement supprimer ces effets d’interférence par un processus connu sous le nom de décohérence quantique. Préserver la cohérence est essentiel pour contrôler et suivre l’évolution des systèmes quantiques, comme les transitions entre les états de spin d’un antiproton.

Bien que des transitions quantiques cohérentes aient déjà été observées dans de grands ensembles de particules et dans des ions piégés, elles ne l’avaient jamais été pour un seul moment magnétique nucléaire libre phénomène qui figure pourtant en bonne place dans les manuels de physique. La collaboration BASE y est enfin parvenue à l’usine d’antimatière du CERN. 

Par certains aspects, on peut comparer ce processus au fait de pousser un enfant sur une balançoire. Avec la bonne poussée, la balançoire s’élance d’avant en arrière, suivant un arc de cercle, selon un rythme parfait. Imaginons maintenant que la balançoire soit un antiproton piégé unique, oscillant entre les états « haut » et « bas » de son spin, selon un rythme régulier et contrôlé. Pour parvenir à reproduire ce processus, la collaboration BASE a utilisé un système avancé de pièges électromagnétiques visant à donner à l’antiproton la bonne « poussée » au bon moment. Étant donné que notre balançoire possède des propriétés quantiques, le spin-qubit d’antimatière peut même pointer dans plusieurs directions à la fois tant qu’il n’est pas observé.

L’expérience BASE étudie les antiprotons produits à l’usine d’antimatière du CERN en les stockant dans des pièges électromagnétiques de Penning et en les introduisant un par un dans un second système à pièges multiples afin, entre autres, de mesurer et de modifier leur état de spin. Grâce à ce dispositif, la collaboration BASE a déjà pu montrer que le moment magnétique du proton et celui de l’antiproton ont la même valeur, à quelques milliardièmes près. Le moindre écart dans les valeurs mesurées infirmerait la symétrie charge-parité-temps et pourrait ouvrir des perspectives sur une nouvelle physique au-delà du Modèle standard de la physique des particules.

Cependant, ce résultat avait été obtenu à l’aide d’une technique de spectroscopie incohérente dans laquelle les transitions quantiques étaient perturbées par des fluctuations du champ magnétique et des interférences dans les mesures. Grâce aux importantes améliorations apportées à l’expérience, ces mécanismes de décohérence ont été éliminés, ce qui a permis d’obtenir la première spectroscopie cohérente du spin d’un antiproton. La collaboration BASE y est parvenue pendant une durée – appelée temps de cohérence du spin – de 50 secondes. 

« Il s’agit du premier qubit d’antimatière. On peut désormais envisager d’appliquer l’ensemble des méthodes de spectroscopie cohérente à des systèmes de matière et d’antimatière uniques dans des expériences de précision, explique Stefan Ulmer, porte-parole de l’expérience BASE. Plus encore, cette avancée permettra à la collaboration BASE de réaliser des mesures du moment de l’antiproton dans de futures expériences avec une précision de dix à cent fois plus grande. »

Les qubits sont les constituants fondamentaux des ordinateurs quantiques car ils permettent de stocker des informations non seulement dans l’un des deux états, mais aussi via une superposition potentiellement illimitée de ces états. Cependant, le qubit d’antimatière établi par BASE n’aura probablement pas d’applications immédiates en dehors de la physique fondamentale.

Des avancées encore plus importantes dans la précision des mesures concernant l’antiproton sont attendues grâce au dispositif BASE-STEP, conçu pour permettre aux antiparticules piégées d’être transportées par la route vers des environnements magnétiques plus « calmes » que l’usine d’antimatière. « Quand il sera pleinement opérationnel, notre nouveau système de pièges de Penning de précision hors ligne, qui sera alimenté avec des antiprotons transportés par BASE-STEP, pourrait nous permettre d’atteindre des temps de cohérence du spin jusqu’à dix fois plus longs que dans les expériences actuelles, ce qui serait une grande avancée pour la recherche sur l’antimatière baryonique », explique Barbara Latacz, rédactrice principale de l’article.

Article : « Coherent spectroscopy with a single antiproton spin » – DOI : 10.1038/s41586-025-09323-1 – Latacz, B.M., Erlewein, S.R., Fleck, M. et al. Coherent spectroscopy with a single antiproton spin. Nature (2025).

Source : CERN