Ein einzelnes Antiteilchen lässt sich inzwischen so präzise beherrschen, dass es sich wie ein Baustein eines Quantenrechners verhält. Der Kollaboration BASE am CERN ist es gelungen, den Spin eines gefangenen Antiprotons kontrolliert zwischen zwei Quantenzuständen hin und her pendeln zu lassen. Erstmals wurden dabei Rabi-Oszillationen an einem einzelnen Antiproton beobachtet. Der Aufwand dient nicht dem Bau eines Computers, sondern einer Messung, die eine tragende Säule des Standardmodells auf die Probe stellt.
Zu jedem Elementarteilchen existiert ein Partner mit gleicher Masse und entgegengesetzter Ladung. Das Antiproton ist das Gegenstück zum Proton und verhält sich nach heutiger Theorie in jeder messbaren Hinsicht spiegelbildlich. Beide Teilchen tragen einen quantenmechanischen Spin und verhalten sich dadurch wie winzige Stabmagnete, die in einem Magnetfeld in eine von zwei Richtungen zeigen können. Die Stärke dieses Magnetismus wird als magnetisches Moment bezeichnet und lässt sich außerordentlich genau bestimmen. Genau darin liegt der Reiz, denn die sogenannte CPT-Symmetrie fordert, dass Materie und Antimaterie sich exakt gleich verhalten. Sollte sich auch nur eine winzige Abweichung finden, wäre das ein Riss im Standardmodell der Teilchenphysik und ein möglicher Hinweis darauf, warum das Universum überhaupt aus Materie besteht, obwohl beim Urknall beide Sorten in gleicher Menge entstanden sein müssten.
Der praktische Weg zu dieser Messung führt über die Penning-Falle, einen Käfig aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern, in dem ein einzelnes geladenes Teilchen dauerhaft schweben kann, ohne Wände zu berühren. Das ist bei Antimaterie zwingend, weil jeder Kontakt mit normaler Materie zur sofortigen Vernichtung führt. Bisherige Bestimmungen des magnetischen Moments arbeiteten mit inkohärenten Verfahren, bei denen der Spin gewissermaßen zufällig umgeklappt und das Ergebnis statistisch ausgewertet wurde. Solche Messungen sind anfällig für Rauschen und Störungen aus der Umgebung, und ihre Genauigkeit stößt an eine natürliche Grenze. Kohärente Verfahren wären deutlich schärfer, verlangen aber, dass der Quantenzustand des Teilchens über längere Zeit ungestört bleibt. Bei einem einzelnen freien Kernspin galt das lange als praktisch unerreichbar, ähnlich wie der Nachweis von Wellenverhalten bei Antiteilchen lange nur als theoretische Möglichkeit galt.
Das Team um Barbara Latacz und Stefan Ulmer baute dafür ein gestaffeltes System aus mehreren hintereinander geschalteten Fallen auf. Ein Reservoir hält einen Vorrat an Antiprotonen bereit, eine Parkfalle nimmt einzelne Teilchen auf, eine abgeschirmte Präzisionsfalle bietet ein besonders stabiles Magnetfeld, eine Analysefalle liest den Spinzustand über den kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt aus, und eine Kühlfalle senkt die Bewegungsenergie ab. Der Zustand eines einzelnen Antiprotons wird zunächst in der Analysefalle bestimmt, dann wandert das Teilchen in die ruhige Präzisionsfalle, wo die eigentliche Manipulation stattfindet, und kehrt anschließend zur Auslese zurück. Entscheidend war der Umbau, mit dem sich die wichtigsten Dekohärenzquellen unterdrücken ließen, also jene unkontrollierten Wechselwirkungen mit der Umgebung, die einen Quantenzustand normalerweise zerstören. Erst dadurch wurde die erste kohärente Spektroskopie an einem Antiprotonenspin überhaupt möglich, wie die Mitteilung des CERN ausführt, die den Aufbau im Detail beschreibt.
Das Resultat ist ein Antimaterie-Qubit im Wortsinn. Getrieben von einem oszillierenden elektromagnetischen Feld nahe der Resonanz pendelte der Spin des Antiprotons regelmäßig zwischen seinen beiden Einstellungen hin und her, eine Rabi-Oszillation, wie sie sonst aus Atomphysik, Kernspinresonanz und Quantencomputern bekannt ist. An einem einzelnen freien Kernspin war das zuvor nie gelungen. Die Spinkohärenzzeit betrug rund 50 Sekunden, die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Spinumkehr lag in Zeitreihenmessungen bei über 80 Prozent, bei Resonanztests an einzelnen Teilchen bei über 70 Prozent. Die Linienbreite der Übergänge fiel dabei sechzehnmal schmaler aus als bei früheren Messungen, und genau diese Schärfe ist die eigentliche Währung des Experiments. Begrenzt wird das Ganze derzeit durch Dekohärenz, die mit der Messung der Zyklotronfrequenz zusammenhängt. Zum Vergleich lassen sich topologische Qubits auf einem Quantenchip nach Herstellerangaben etwa 20 Sekunden stabil halten.
Ein Antimaterie-Qubit wird in absehbarer Zeit keine Rechenaufgaben übernehmen, denn Antiprotonen lassen sich weder in großer Zahl herstellen noch in Chips integrieren, und ihre Erzeugung verschlingt enorme Energien. Der Wert liegt woanders. Die BASE-Kollaboration hat bereits gezeigt, dass die magnetischen Momente von Proton und Antiproton bis auf wenige Milliardstel übereinstimmen. Mit kohärenter Spektroskopie erwartet Ulmer für künftige Messungen eine zehn- bis hundertfach höhere Präzision. Jede weitere Nachkommastelle engt den Spielraum für eine Verletzung der CPT-Symmetrie weiter ein, und eine gefundene Abweichung wäre eine der bedeutendsten Entdeckungen der Physik. Der nächste Schritt heißt BASE-STEP, ein transportables Fallensystem, das gefangene Antiprotonen per Lastwagen aus der magnetisch unruhigen Antimateriefabrik in ein ruhigeres Labor bringen soll. Am Aufbau beteiligt sind unter anderem Gruppen des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, deren Fallentechnik den Kern des Experiments bildet. Der Weg von einer gebündelten Strahl aus Antimaterie hin zur kohärenten Kontrolle eines einzelnen Teilchens zeigt, wie schnell sich dieses Feld derzeit bewegt.
Nature, Coherent spectroscopy with a single antiproton spin; doi:10.1038/s41586-025-09323-1