Фізики створили квбіт, що еволюціонує у двох напрямах часу

25 жовтня 2026 р. 22:20

25 жовтня 2026 р. 22:20

У квантовому світі стріла часу може поводитися значно дивніше, ніж у звичній нам фізиці. Група корейських фізиків показала, що окремий фотон може нести квбіт, у якому квантовий процес еволюціонує одночасно у двох протилежних напрямах часу. Про це йдеться в новій теоретичній роботі, що спирається на експерименти, виконані ще у 2018 році, проаналізовані тепер у новому контексті, повідомляє ScienceAlert .

Що таке «часовий» квбіт

У класичній фізиці час тече лише вперед. Але в квантовій механіці еволюція системи описується рівняннями, які математично можна «розкрутити назад». На цьому ґрунтується ідея так званого часового квбіта: це не частинка, що подорожує в минуле, а квантова система, яка може одночасно еволюціонувати у двох протилежних часових напрямах.

Концепція часового квбіта з’явилася в препринті фізика Якова Блоха (Yakov Bloch) з Тель-Авівського університету, завантаженому на arXiv у листопаді 2025 року. Він запропонував уявний експеримент: розділити шлях квантової частинки на дві гілки, задати вздовж них протилежні магнітні поля, а потім знову звести шляхи разом. Інтерференційна картина мала б показати, як пов’язані дві протилежні часові еволюції.

Поки що ця схема лишається теоретичною. Однак фізик Тай Хьон Юн (Tai Hyun Yoon) з Корейського університету запропонував інший шлях до того самого ефекту — не через магнітні поля й спіни частинок, а за допомогою світла.

Як використали заплутані фотони

Підхід Юна базується на двох кристалах, які генерують пари заплутаних фотонів. Один фотон із кожної пари несе однофотонний квбіт. Техніка, яку він описує, відома як інтерферометрія із заплутаним нелінійним двофотонним джерелом (ENBS).

Напрямок певної квантової взаємодії в цій системі контролюється фазою світла, що використовується для генерації фотонів. Якщо зсунути фазу на півперіоду, математичний опис взаємодії змінюється так, ніби процес пішов у зворотному часовому напрямку. Сам час при цьому не «перемотується», але рівняння, що керують еволюцією, працюють у протилежний бік.

У квантовій механіці зміни стану системи з часом описує гамільтоніан — математичний оператор, який визначає, як стан переходить від одного моменту до наступного. Якщо змінити знак гамільтоніана, система еволюціонує так, ніби час пішов назад, відтворюючи попередні стани. Метод Юна не перевертає весь гамільтоніан, але змінює його частину, що відповідає за контрольовану взаємодію. Це дає дві протилежні часові еволюції — умовний «квантовий годинник», стрілки якого можуть крутитися в обидва боки.

Як з’являється суперпозиція двох напрямів часу

Щоб отримати саме часовий квбіт, недостатньо мати два можливі напрями еволюції — вони мають одночасно співіснувати в суперпозиції. Тут ключову роль відіграє спільне лазерне джерело для обох кристалів.

Зазвичай при генерації пари фотонів у кристалі в системі лишається інформація, яка дозволяє визначити, з якого саме кристала вийшов фотон. Це «мітка шляху» руйнує когерентну суперпозицію, потрібну для квбіта. Якщо ж обидва кристали накачуються тим самим когерентним лазером, відмінності між шляхами можна придушити. Тоді дві протилежні часові еволюції стають нерозрізненими й можуть інтерферувати.

У результаті формується однофотонний квбіт, який кодує не просто два різні шляхи, а дві протилежні часові еволюції, що існують одночасно в суперпозиції.

«Подорож у минуле» через старі дані

Щоб перевірити свою теорію, Юну не довелося будувати нову установку. Він повернувся до вимірювань, які його команда вже виконувала раніше, зокрема до експерименту 2018 року. Ті роботи демонстрували фазозалежну поведінку та інтерференцію, які саме й потрібні для реалізації описаного ним часовго квбіта.

Повторно проаналізувавши вже наявні дані, Юн показав, що їх можна інтерпретувати як реалізацію однофотонного часового квбіта. Тобто експеримент, спочатку задуманий з іншою метою, заднім числом виявився демонстрацією нового типу квантового кодування часу.

Автори визнають, що це не ідеальний експеримент спеціально під часові квбіти, а радше доказ принципу. Проте результати натякають, що цілеспрямовані дослідження з кращим контролем квантових станів можуть перевірити повний набір операцій, передбачених теорією.

Можливі наслідки для квантових технологій

У своїй роботі Юн описує, як поєднання дискретного часового квбіта ENBS з певними типами безперервних квантових станів (так званими ґратковими станами Готтесмана–Кітаєва–Прескіла) може створити шлях до стійкої до помилок часової квантової корекції, обробки багатовимірних квдитів і лабораторних симуляцій релятивістичних квантових ефектів.

Робота поки що не пройшла рецензування і доступна у вигляді препринта на arXiv. Вона показує, що уважний погляд на вже виконані експерименти може відкрити неочікувані можливості — зокрема, нові способи керувати самим «напрямком часу» у квантових обчисленнях.

Наука