У класичному Всесвіті стрілка часу рухається в один бік, але в квантовій сфері, де класична фізика перестає діяти, чи може напрямок часу бути підданий змінам?

Здатність маніпулювати напрямком квантової еволюції може запропонувати нові способи обробки інформації, що особливо важливо для квантових обчислень.

І, можливо, це вже на відстані витягнутої руки.

Фізики з Південної Кореї продемонстрували кубіт, процеси якого можуть відбуватися назад у часі… і іронічно, для цього їм довелося повернутися в минуле, щоб його знайти.

У новому препринті фізик Тай Хюн Юн з Університету Кореї розробив теорію, що описує те, що він називає квантовим вакуумом, що насаджує одиночний фотонний кубіт часу, і показав, що експеримент, який він і його колеги провели в 2018 році для зовсім іншої мети, вже продемонстрував його в дії.

Ідея кубіта часу є відносно новою, виникнувши в препринті, написаному фізиком Яковом Блохом з Тель-Авівського університету, завантаженому на arXiv у листопаді 2025 року.

Це не зовсім кубіт, який може подорожувати назад у часі; скоріше, як пояснює Блох, це квантова система, яка може еволюціонувати в двох протилежних тимчасових напрямках одночасно.

Уявіть собі годинник, стрілки якого можуть рухатися як за годинниковою стрілкою, так і проти. Це приблизно ідея – тільки замість того, щоб повернути час назад, кубіт дозволяє фізикам маніпулювати напрямком, в якому розвивається квантовий процес.

Він запропонував, що це можна експериментально перевірити, розділивши шлях квантової частинки на два, з протилежними магнітними полями вздовж обох шляхів, а потім знову з'єднавши їх. Інтерференційний малюнок їхнього з'єднання може показати, як пов'язані два протилежні еволюції.

На момент написання ця ідея залишається в теоретичній сфері; але, як квантова частинка, розділена на дві, Юн взяв цю ідею і пішов з нею в іншому напрямку.

Замість того, щоб використовувати магнітні поля для зворотного розвитку еволюції обертової частинки, Юн звернувся до світла. Його підхід використовує два кристалічні джерела, які генерують заплутані пари фотонів; один фотон з кожної пари несе одиничний фотонний кубіт. Цю техніку називають інтерферометрією заплутаних нелінійних біфотонних джерел (ENBS).

Напрямок конкретної квантової взаємодії контролюється шляхом регулювання фази світла, яке використовується для генерації фотонів.

Зміна фази на пів циклу зворотньо змінює квантову взаємодію – не тому, що час сам по собі тече назад, а тому, що математичний процес, що керує взаємодією, рухається в протилежному напрямку.

У квантовій механіці еволюція системи з часом регулюється математичним описом, званим Гамільтоном. Він визначає, як квантовий стан системи змінюється з одного моменту на інший.

Змінивши знак цього Гамільтона, система еволюціонує так, ніби час сам по собі рухається назад, відтворюючи зміни, які вона інакше зазнала б.

Метод Юна не змінює весь Гамільтон, але він змінює частину, що керує взаємодією, яку він контролює. Це дає йому два протилежні напрямки квантової еволюції – еквівалент квантового годинника, стрілки якого можуть рухатися в будь-якому напрямку.

Але два протилежні напрямки самі по собі не є кубітом часу. Для цього потрібно щось додаткове – суперпозиція, де обидва напрямки існують одночасно.

Ось тут спільне лазерне світло стає важливим. Зазвичай, генеруючи пару фотонів, залишається інформація, яка може вказати, який кристал її виробив. Ця інформація розрізняє два можливі шляхи, заважаючи їм виробляти когерентну суперпозицію, необхідну для кубіта.

Але, забезпечуючи обидва кристали світлом з одного когерентного лазерного джерела, можна пригнічувати цю розрізнювальну інформацію, дозволяючи двом протилежним квантовим еволюціям взаємодіяти.

Результат – одиничний фотонний кубіт, який кодує не лише два різні шляхи, але й два протилежні напрямки квантової еволюції.

Юн не потребував розробляти та будувати абсолютно новий експеримент, щоб показати, що цей підхід є здійсненним. Натомість він звернувся до вимірювань з експериментів, які він і його колеги вже провели, включаючи один у 2018 році.

Ці експерименти продемонстрували фазозалежну поведінку та інтерференцію, які вимагає його нова теоретична структура. Переглянувши дані, які він і його колеги вже зібрали, Юн показав, що апаратура може бути зрозуміла як реалізація одиничного фотонного кубіта часу.

Оскільки він використовує дані з попередніх експериментів для дослідження нової теорії, це не є ідеальним демонстраційним прикладом. Однак, як доказ концепції, це свідчить про те, що можна отримати багато, переслідуючи це в спеціальному дослідженні кубітів часу.

Більш спеціалізований експеримент з більш жорстким контролем над квантовими станами міг би перевірити весь спектр операцій, передбачених теорією.

Або, як говорить Юн, "Зв'язування дискретного кубіта часу ENBS через контрольовані зміщення часу-частоти до апаратних рідних станів Готтесмана-Кітаєва-Прескіла (TF-GKP) в хроноклічному фазовому просторі встановлює надійний шлях до стійкої квантової корекції помилок у часі, обробки високих розмірностей кудитів і настільних симуляцій динаміки релятивістських квантових детекторів".

Дослідження, яке ще не пройшло рецензування, доступне на arXiv.