Kubit czasowy, pozwalający kontrolować dwa przeciwne kierunki ewolucji kwantowej, mógł zostać zrealizowany w eksperymencie przeprowadzonym już w 2018 roku. Taką interpretację wcześniejszych pomiarów przedstawia Tai Hyun Yoon z Korea University. Nie chodzi o wysłanie fotonu w przeszłość, lecz o sterowanie przebiegiem określonego oddziaływania — potencjalnie przydatne w przetwarzaniu informacji kwantowej.
Eksperyment wykonany z myślą o jednym problemie może po latach dostarczyć wskazówek dotyczących zupełnie innego. W tym przypadku wcześniejsze pomiary interferencji pojedynczych fotonów zyskały nowe znaczenie dzięki teorii opisującej tak zwany kubit czasowy.
Tai Hyun Yoon opracował jego wariant oparty na świetle i zestawił przewidywania z wynikami doświadczeń, które prowadził ze współpracownikami. Pracę udostępniono jako preprint w serwisie arXiv. To propozycja wymagająca dalszej weryfikacji, a nie potwierdzenie możliwości podróżowania w czasie.
Czym jest kubit czasowy?
Kubit to podstawowa jednostka informacji kwantowej. Może znajdować się w superpozycji dwóch stanów bazowych, dzięki czemu jego opis różni się od klasycznego bitu przyjmującego wartość zero albo jeden.
W koncepcji kubitu czasowego dwa stany odpowiadają przeciwnym kierunkom kontrolowanej ewolucji. Układ można przygotować tak, aby proces przebiegał w jednym kierunku, w przeciwnym albo w ich spójnej superpozycji.
Istotne jest znaczenie słowa „czasowy”. Zmienia się sposób ewolucji badanego układu, podczas gdy czas mierzony przez zegar laboratoryjny nadal płynie naprzód. Foton nie pojawia się przed swoim wytworzeniem i nie przenosi informacji do przeszłości.
Koncepcję opisał Jakow Bloch z Uniwersytetu w Tel Awiwie w preprincie udostępnionym w listopadzie 2025 roku. Zaproponował układ interferometryczny, w którym dwie drogi cząstki prowadziłyby przez przeciwne pola magnetyczne. Po ponownym połączeniu dróg interferencja umożliwiałaby badanie relacji między przeciwnymi ewolucjami.
Zamiast pól magnetycznych — dwa źródła fotonów
Yoon rozwinął podejście wykorzystujące optykę kwantową. Jego układ opiera się na dwóch nieliniowych źródłach kryształowych, wytwarzających splątane pary fotonów.
Technika nosi nazwę interferometrii ze splątanymi nieliniowymi źródłami bifotonowymi, w skrócie ENBS. Dwie możliwe drogi powstania fotonu sygnałowego tworzą przestrzeń, w której można zakodować kubit.
Najważniejsze jest jednak to, co dzieje się podczas generowania światła. Odpowiednia kontrola fazy pozwala przypisać obu drogom przeciwne znaki określonego oddziaływania kwantowego.
W nowym opisie układ nie służy więc wyłącznie do porównywania dwóch ścieżek optycznych. Ma również umożliwiać badanie superpozycji dwóch przeciwnych przebiegów kontrolowanego procesu.
Jak odwrócić ewolucję bez cofania czasu?
Zachowanie układu kwantowego opisuje hamiltonian — operator związany z jego energią, który wyznacza ewolucję stanu.
Zmiana znaku odpowiedniego hamiltonianu może sprawić, że układ odtworzy ewolucję w kierunku przeciwnym. Matematycznie odpowiada to zastąpieniu dodatniego czasu ujemnym w opisie tego procesu.
W propozycji Yoona kontrola jest bardziej ograniczona. Odwróceniu ulega składnik odpowiadający za sterowane oddziaływanie, podczas gdy pozostała część dynamiki nie zostaje odwrócona.
Autor wskazuje, że zmianę tę można uzyskać przez przesunięcie względnej fazy światła o pół cyklu, czyli o 180 stopni. Dzięki temu powstają dwa warianty oddziaływania o przeciwnych znakach. Określenie „ewolucja wstecz” odnosi się tutaj właśnie do tego kontrolowanego fragmentu dynamiki.
Dlaczego potrzebne jest wspólne światło laserowe?
Możliwość wybrania jednego z dwóch przeciwnych przebiegów nie wystarcza do utworzenia ich spójnej superpozycji. Trzeba jeszcze ograniczyć informację pozwalającą rozróżnić obie możliwości.
Podczas generowania pary fotonów w układzie może pozostawać ślad wskazujący, które źródło ją wytworzyło. Taka rozróżnialność ogranicza interferencję między alternatywnymi drogami.
Wspólne, spójne światło laserowe zasiewające oba źródła pozwala zmniejszać tę rozróżnialność. W odpowiednich warunkach możliwe staje się obserwowanie interferencji związanej z dwiema gałęziami ewolucji.
To kluczowa część propozycji: kubit czasowy wymaga zachowania spójności między możliwościami, a nie tylko przełącznika wybierającego jedną z nich.
Co pokazały wcześniejsze eksperymenty?
Yoon odwołuje się do wcześniejszych pomiarów interferometrii pojedynczych fotonów, w tym do eksperymentu opublikowanego w 2018 roku. Badania te powstały przed przedstawieniem omawianej koncepcji kubitu czasowego.
Zarejestrowano w nich zależność sygnałów od fazy oraz interferencję. Według autora zachowania te można powiązać z przewidywaniami nowego modelu.
Najciekawsza jest więc zmiana interpretacji istniejących wyników. Aparatura opracowana do wcześniejszych badań mogła realizować podstawowe mechanizmy, którym dopiero później nadano opis kubitu czasowego.
Nie oznacza to jednak, że doświadczenie z 2018 roku od początku sprawdzało wszystkie przewidywania nowej teorii. Jego cel był inny, dlatego dostępne pomiary nie zastępują eksperymentu zaprojektowanego specjalnie do jej pełnego przetestowania.
Do czego takie sterowanie mogłoby się przydać?
Możliwość spójnego kontrolowania przeciwnych ewolucji może stworzyć dodatkowe sposoby kodowania i przetwarzania informacji kwantowej.
Yoon rozważa między innymi połączenie kubitu czasowego ze specjalnymi stanami bozonowymi wykorzystywanymi w koncepcjach korekcji błędów. Wskazuje również na możliwość rozwijania układów kodujących więcej niż dwa poziomy informacji oraz laboratoryjnych symulacji oddziaływań detektorów kwantowych z polami w modelach relatywistycznych.
Są to proponowane kierunki badań. Praca nie przedstawia gotowego komputera kwantowego korzystającego z tych możliwości ani wykazanej przewagi użytkowej nad obecnymi rozwiązaniami.
Kolejny krok: eksperyment przygotowany dla nowej teorii
Najważniejszym sprawdzianem byłoby doświadczenie zapewniające precyzyjną kontrolę stanów i pomiary dobrane do operacji przewidywanych dla kubitu czasowego.
Pozwoliłoby ono ocenić, jak szeroki zakres teorii rzeczywiście realizuje układ oraz jakie ograniczenia wynikają z niedoskonałości aparatury.
Na obecnym etapie znaczenie pracy polega na powiązaniu nowego opisu teoretycznego z wcześniejszymi obserwacjami. To interesujący przykład tego, jak ponowne przeanalizowanie znanego eksperymentu może otworzyć nowy kierunek badań — bez odwracania biegu laboratoryjnych zegarów.
Badania, które nie zostały jeszcze zrecenzowane, są dostępne na platformie arXiv .