Физики, возможно, случайно создали кубит, который может работать в обратном времени

В классическом мире стрела времени летит в одном направлении. Но в квантовой области, где классическая физика перестаёт работать, даже направление времени может оказаться доступным для настройки.

Способность управлять направлением квантовой эволюции могла бы дать новые способы обработки информации — с последствиями, особенно важными для квантовых вычислений. И это может быть уже достижимо.

Корейские физики продемонстрировали кубит, процессы которого можно запускать в обратном времени. Ирония в том, что им пришлось вернуться в прошлое, чтобы его найти.

В новом препринте физик Тэ Хён Юн из Корейского университета разработал теорию, описывающую то, что он называет однофотонным временным кубитом, затравочным квантовым вакуумом. Он показал, что эксперимент, который он и его коллеги провели в 2018 году совершенно с другой целью, уже непреднамеренно продемонстрировал его в действии.

Что такое временной кубит

Понятие временного кубита возникло относительно недавно — в препринте физика Якова Блоха из Тель-Авивского университета, выложенном на arXiv в ноябре 2025 года.

Это не кубит, который может путешествовать в прошлое. Как объясняет Блох, это квантовая система, которая может развиваться в двух противоположных временных направлениях одновременно.

Представьте часы, стрелки которых могут идти по часовой стрелке и против неё одновременно. Примерно такова идея — за исключением того, что вместо поворота самого времени кубит позволяет физикам управлять направлением, в котором разворачивается квантовый процесс.

Блох предложил проверить это экспериментально, разделив путь квантовой частицы на два, с противоположными магнитными полями вдоль этих путей, а затем снова сведя их вместе. Интерференционная картина их воссоединения могла бы показать, как связаны две противоположные эволюции.

На момент написания эта идея остаётся твёрдо в теоретической области. Но, подобно квантовой частице, разделённой на две, Юн взял идею и повёл её в другом направлении.

Вместо использования магнитных полей для обращения эволюции вращающейся частицы Юн обратился к свету. Его подход использует два кристаллических источника, генерирующих запутанные пары фотонов; один фотон из каждой пары несёт однофотонный кубит. Техника называется интерферометрией с запутанным нелинейным бифотонным источником.

Направление конкретного квантового взаимодействия затем контролируется путём настройки фазы света, используемого для генерации фотонов.

Как это работает

Сдвиг фазы на половину цикла обращает квантовое взаимодействие — не потому, что само время течёт вспять, а потому, что математический процесс, управляющий взаимодействием, идёт в противоположном направлении.

В квантовой механике эволюция системы во времени управляется математическим описанием, называемым гамильтонианом. Он определяет, как квантовое состояние системы меняется от одного момента к другому.

Обратите знак этого гамильтониана, и система будет развиваться так, словно само время течёт вспять, повторяя в обратном порядке изменения, которые она иначе претерпела бы.

Метод Юна не обращает весь гамильтониан, но обращает ту его часть, которая управляет контролируемым им взаимодействием. Это даёт ему два противоположных направления квантовой эволюции — эквивалент квантовых часов, стрелки которых могут идти в любую сторону.

Но два противоположных направления сами по себе ещё не временной кубит. Для этого нужно нечто большее — суперпозиция, где оба направления существуют одновременно.

Здесь и становится важным общий лазерный свет. Обычно генерация пары фотонов оставляет информацию, которая могла бы указать, какой кристалл её произвёл. Эта информация различает два возможных пути, мешая им создать когерентную суперпозицию, необходимую для кубита.

Но, подавая свет от одного и того же когерентного лазерного источника в оба кристалла, различающую информацию можно подавить, позволяя двум противоположным квантовым эволюциям интерферировать.

Результат — однофотонный кубит, который кодирует не просто два разных пути, а два противоположных направления квантовой эволюции.

Проверка на старых данных

Юну не нужно было проектировать и строить совершенно новый эксперимент, чтобы показать осуществимость подхода. Вместо этого он обратился к измерениям из экспериментов, которые он и его коллеги уже провели, включая один в 2018 году.

Эти эксперименты продемонстрировали зависящее от фазы поведение и интерференцию, которые требует его новая теоретическая рамка. Пересмотрев данные, которые он и его коллеги уже собрали, Юн показал, что аппарат можно понять как реализацию однофотонного временного кубита.

Поскольку он использует данные старых экспериментов для проверки новой теории, это не идеальная демонстрация. Однако как доказательство концепции она позволяет предположить, что в специальном исследовании временных кубитов можно многое выиграть.

Более специализированный эксперимент с более строгим контролем над квантовыми состояниями мог бы проверить полный диапазон операций, предсказанных теорией.

Или, как выразился Юн: «Связывание дискретного временного кубита через контролируемые время-частотные смещения с аппаратно-нативными бозонными сетчатыми состояниями Готтесмана — Китаева — Прескилла в хроноциклическом фазовом пространстве устанавливает надёжный путь к отказоустойчивому временному квантовому исправлению ошибок, высокоразмерной обработке кудитов и настольным симуляциям релятивистской динамики квантовых детекторов».