Физики из Южной Кореи обнаружили, что ещё в 2018 году могли случайно создать необычный квантовый бит — кубит, способный участвовать в процессах, которые развиваются так, словно время движется в обратную сторону. Самое удивительное, что первоначально эксперимент проводился совершенно для других целей, а его необычное значение стало понятно только после появления новой теории.
В привычном нам мире время движется в одном направлении: прошлое остаётся позади, а будущее ещё не наступило. Однако в квантовой механике, где поведение частиц подчиняется законам, отличающимся от классической физики, направление некоторых процессов можно изменять. Возможность управлять такими изменениями представляет особый интерес для квантовых вычислений, поскольку потенциально открывает новые способы обработки информации.
Физик Тай Хён Юн из Корейского университета представил теоретическую модель однофотонного временного кубита, использующего квантовый вакуум. В новой работе он также показал, что результаты экспериментов, проведённых им совместно с коллегами несколько лет назад, уже содержали признаки работы подобной системы.
Сама идея временного кубита появилась относительно недавно. В ноябре 2025 года физик Яков Блох из Тель-Авивского университета опубликовал предварительную научную работу, в которой предложил концепцию квантовой системы, способной одновременно эволюционировать в двух противоположных временных направлениях.
Речь не идёт о путешествиях в прошлое или реальном обращении времени. Представить принцип можно с помощью необычных часов, стрелки которых одновременно вращаются по часовой стрелке и против неё. В квантовом мире подобная ситуация означает, что система может находиться в состоянии, объединяющем два противоположных направления развития одного процесса.
Блох предложил проверить эту идею экспериментально. Для этого необходимо разделить путь квантовой частицы на две траектории, воздействовать на неё противоположно направленными магнитными полями, а затем снова объединить траектории. Возникающая интерференционная картина, то есть результат наложения квантовых состояний, позволила бы выяснить, каким образом связаны два противоположных процесса.
Пока предложенная Блохом схема остаётся теоретической. Однако Юн нашёл другой подход, позволяющий исследовать ту же идею без использования противоположных магнитных полей.
Вместо управления вращением квантовой частицы корейский физик обратился к свету. Его метод основан на использовании двух кристаллов, способных генерировать пары запутанных фотонов. В каждой паре один из фотонов служит носителем кубита. Такой способ исследования основан на интерференции двухфотонных состояний, создаваемых нелинейными оптическими источниками.
Ключевую роль здесь играет фаза света, используемого для рождения фотонов. Изменяя её, исследователи могут управлять направлением определённого квантового взаимодействия.
Если сдвинуть фазу на половину полного колебательного цикла, взаимодействие начинает развиваться в противоположном направлении. При этом время не поворачивается вспять: меняется математическое описание процесса, и квантовая система ведёт себя так, словно соответствующий участок её эволюции запущен в обратном порядке.
Чтобы понять, почему это возможно, необходимо обратиться к одному из основных понятий квантовой механики — гамильтониану. Так называется математический оператор, определяющий, как квантовое состояние системы изменяется с течением времени.
Если изменить знак гамильтониана на противоположный, система начинает эволюционировать так, будто направление времени обратилось. Вместо обычной последовательности изменений она проходит их в обратном порядке.
Метод Юна не позволяет обратить весь гамильтониан системы. Он воздействует только на ту его часть, которая отвечает за управляемое взаимодействие. Тем не менее этого достаточно, чтобы получить два противоположных направления квантовой эволюции — словно у квантовых часов появилась возможность вращать стрелки в обе стороны.
Но одного существования двух направлений недостаточно для создания временного кубита. Необходимо, чтобы они могли существовать одновременно в рамках одного квантового состояния. Именно это свойство, известное как суперпозиция, лежит в основе работы кубитов.
Здесь возникает важная экспериментальная трудность. Когда кристалл генерирует пару фотонов, в системе обычно остаётся информация, позволяющая определить, в каком именно кристалле они появились. Если два возможных пути можно различить, необходимая квантовая суперпозиция не возникает.
Юн предложил использовать для обоих кристаллов свет одного и того же когерентного лазерного источника. Благодаря согласованности световых волн информация, позволяющая различить происхождение фотонных пар, может быть подавлена. В результате два противоположных варианта квантовой эволюции получают возможность интерферировать друг с другом.
Таким образом, один фотон может выступать носителем кубита, кодирующего не просто два различных пути, а два противоположных направления развития квантового процесса.
Особенность новой работы заключается в том, что для проверки этой идеи Юну не пришлось создавать экспериментальную установку с нуля. Вместо этого он обратился к результатам исследований, которые проводил вместе с коллегами ранее, в том числе в 2018 году.
Тогда учёные уже наблюдали интерференцию и зависимость квантовых взаимодействий от фазы света. Однако эксперименты выполнялись с другой целью, поэтому полученные результаты не рассматривались как свидетельство существования временного кубита.
После появления новой теоретической модели Юн заново проанализировал старые измерения и обнаружил, что они соответствуют условиям, необходимым для реализации его концепции. Иными словами, установка, с которой исследователи работали несколько лет назад, могла уже воплощать принцип однофотонного временного кубита, хотя тогда никто не интерпретировал её работу таким образом.
Впрочем, это ещё не полноценное экспериментальное подтверждение. Старые измерения проводились без учёта требований новой теории, поэтому не позволяют проверить все предсказанные ею свойства. Пока речь идёт о предварительном подтверждении осуществимости подхода, а не об окончательном доказательстве создания временного кубита.
Для более убедительной проверки потребуется специализированный эксперимент, в котором исследователи смогут точнее контролировать квантовые состояния и исследовать весь набор операций, предусмотренных теоретической моделью.
Если дальнейшие исследования подтвердят предложенный принцип, у него могут появиться важные применения в квантовых технологиях. В частности, Юн рассматривает возможность объединения временных кубитов с особыми квантовыми состояниями, управляемыми посредством сдвигов во времени и частоте.
По его оценке, такой подход может открыть путь к устойчивому исправлению ошибок в квантовых вычислениях, обработке информации с использованием многомерных квантовых состояний и лабораторному моделированию поведения квантовых детекторов в условиях, описываемых релятивистской квантовой теорией.
Пока эти возможности остаются перспективами, которые ещё предстоит исследовать. Работа Юна опубликована в архиве научных препринтов arXiv и на момент публикации новости не прошла независимое научное рецензирование.
Главная интрига исследования заключается не в возможности повернуть время вспять, а в том, что физики, возможно, уже несколько лет назад научились управлять направлением квантовых процессов, не подозревая, насколько необычную систему создали.
