В классической Вселенной стрела времени летит только в одну сторону. Но в квантовом мире, где классическая физика перестаёт работать, нельзя ли подправить даже направление времени?
Возможность управлять направлением квантовой эволюции могла бы открыть новые способы обработки информации — особенно это важно для квантовых вычислений.
И она, возможно, уже близка.
Корейские физики продемонстрировали кубит, процессы в котором можно запускать в обратном направлении во времени… и восхитительная ирония в том, что для его обнаружения им пришлось вернуться в прошлое.
В новом препринте физик Тэ Хён Юн из Корейского университета разработал теорию, описывающую то, что он называет однофотонным временным кубитом, инициируемым квантовым вакуумом, и показал, что эксперимент, который он с коллегами провёл в 2018 году совсем для другой цели, невольно уже продемонстрировал его работу.
Понятие временного кубита появилось сравнительно недавно: оно возникло в препринте физика Якова Блоха из Тель-Авивского университета, размещённом на arXiv в ноябре 2025 года.
На самом деле это не кубит, способный путешествовать назад во времени. Как объясняет Блох, это квантовая система, которая может эволюционировать сразу в двух противоположных временных направлениях.
Представьте часы, стрелки которых могут идти одновременно по часовой стрелке и против неё. Идея примерно такова, только вместо того, чтобы повернуть вспять само время, кубит позволяет физикам управлять направлением, в котором разворачивается квантовый процесс.
Он предложил проверить это экспериментально: разделить путь квантовой частицы на два, создать вдоль этих путей противоположно направленные магнитные поля, а затем снова свести пути вместе. Интерференционная картина после воссоединения могла бы показать, как связаны две противоположные эволюции.
На момент написания статьи эта идея остаётся сугубо теоретической. Но, подобно квантовой частице, разделённой надвое, Юн взял эту идею и развил её в другом направлении.
Вместо магнитных полей для обращения эволюции вращающейся частицы Юн обратился к свету. В его подходе используются два кристаллических источника, генерирующих запутанные пары фотонов; по одному фотону из каждой пары несёт однофотонный кубит. Эта методика называется интерферометрией на запутанных нелинейных бифотонных источниках (ENBS).
Направление конкретного квантового взаимодействия затем контролируется подстройкой фазы света, используемого для генерации фотонов.
Изменение 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 определяется математическим описанием, которое называется гамильтонианом. Он задаёт, как квантовое состояние системы меняется от одного момента к другому.
Если изменить знак этого гамильтониана, система будет эволюционировать так, как если бы само время шло назад, повторяя в обратном порядке изменения, через которые она иначе прошла бы.
Метод Юна не обращает весь гамильтониан целиком, но обращает ту его часть, которая отвечает за взаимодействие, находящееся под его контролем. Это даёт ему два противоположных направления квантовой эволюции — эквивалент квантовых часов, стрелки которых могут вращаться в любую сторону.
Но два противоположных направления сами по себе ещё не образуют временной кубит. Для этого нужно кое-что ещё — суперпозиция, при которой оба направления существуют одновременно.
Здесь важную роль играет общий лазерный свет. Обычно при генерации пары фотонов остаётся информация, которая могла бы выдать, какой из кристаллов её создал. Эта информация различает два возможных пути и не позволяет им образовать когерентную суперпозицию, необходимую для кубита.
Однако если подать на оба кристалла свет от одного и того же когерентного лазерного источника, различающую информацию можно подавить, и две противоположные квантовые эволюции смогут интерферировать.
В результате получается однофотонный кубит, который кодирует не просто два разных пути, но два противоположных направления квантовой эволюции.
Юну не пришлось разрабатывать и собирать совершенно новый эксперимент, чтобы показать осуществимость такого подхода. Вместо этого он обратился к результатам измерений из экспериментов, которые они с коллегами уже проводили, в том числе в 2018 году.
Эти эксперименты продемонстрировали зависящее от фазы поведение и интерференцию, которых требует его новая теоретическая схема. Заново изучив уже собранные им и коллегами данные, Юн показал, что установку можно рассматривать как реализацию однофотонного временного кубита.
Поскольку для проверки новой теории используются данные более ранних экспериментов, это не идеальная демонстрация. Тем не менее как доказательство концепции она позволяет предположить, что целенаправленное исследование временных кубитов может принести немало пользы.
Более специализированный эксперимент с более точным контролем над квантовыми состояниями мог бы проверить весь спектр операций, предсказанных теорией.
Или, как выражается сам Юн: «Связывание дискретного временного кубита ENBS посредством контролируемых время-частотных смещений с аппаратно реализуемыми бозонными сеточными состояниями Готтесмана — Китаева — Прескилла (TF-GKP) в хроноциклическом фазовом пространстве создаёт надёжный путь к отказоустойчивой временно́й квантовой коррекции ошибок, обработке многоуровневых кудитов и настольному моделированию динамики релятивистских квантовых детекторов».
Вот именно.
Исследование, которое ещё не прошло рецензирование, доступно на arXiv.