Може ли един квантов процес да протече наобратно, сякаш времето е върнало хода си? Ново изследване на физик от Южна Корея показва, че това е възможно при определени условия. Още по-любопитното е, че доказателствата за подобно поведение може да са били пред очите на учените от години – скрити в резултатите от експеримент, проведен през 2018 г. Откритието не означава, че сме се научили да пътуваме в миналото, но може да проправи пътя към нови методи за обработка на квантова информация.

В света, който познаваме, времето върви само напред. Събитията следват едно след друго, а миналото остава зад нас. На квантово равнище обаче, където привычните закони на класическата физика невинаги са приложими, нещата могат да изглеждат съвсем различно.

Възможността да се управлява посоката, в която се развиват квантовите процеси, би могла да открие нови перспективи пред обработката на информация, особено в областта на квантовите компютри.

И изглежда, че учените вече са направили важна крачка в тази посока.

Физици от Южна Корея са показали, че е възможно да се създаде кюбит, при който определени процеси протичат така, сякаш времето се движи назад. Иронията е, че за да стигнат до това заключение, изследователите също е трябвало да се върнат назад – към собствените си по-стари експерименти.

В нова научна публикация физикът Тай Хюн Юн от Корейския университет представя теория за т.нар. еднофотонен времеви кюбит, създаден с участието на квантовия вакуум (quantum vacuum-seeded single-photon time qubit).

Той установява, че експеримент, проведен от него и колегите му през 2018 г. с напълно различна цел, всъщност вече е показал ефекта, който новата теория описва. Просто тогава никой не е гледал на резултатите от тази перспектива.

Какво всъщност е времевият кюбит?

Концепцията за времевия кюбит е сравнително нова. Тя е предложена от физика Яков Блох от Телавивския университет в научна публикация от ноември 2025 г.

Въпреки интригуващото си название, времевият кюбит не е частица или устройство, което може буквално да се отправи към миналото. Става дума за квантова система, способна да се развива едновременно в две противоположни посоки на времевата еволюция.

Представете си часовник, чиито стрелки се въртят едновременно напред и назад. Това е приблизителна аналогия на идеята. Разликата е, че учените не променят хода на самото време, а начина, по който протича определен квантов процес.

Възможността за подобно обръщане на квантовата еволюция не е напълно непозната на науката. Още през 2019 г. международен екип разработи програма за обръщане на посоката на времето в квантов компютър, демонстрирайки как при определени условия една квантова система може да бъде върната към предишното си състояние.

Блох предлага конкретен начин за експериментална проверка на своята идея. Според него пътят на квантова частица може да бъде разделен на два, като по всеки от двата пътя действат противоположно насочени магнитни полета. След това пътищата отново се събират.

Когато двете възможни състояния се срещнат, възниква интерференция. Получената картина би могла да покаже как са свързани квантовите процеси, протичащи в противоположни посоки.

Засега предложението на Блох остава теоретично. Юн обаче решава да потърси друг начин за постигане на същия ефект.

Светлината се оказва ключът към обръщането на квантовата еволюция

Вместо да използва магнитни полета, за да обърне еволюцията на частица със спин, Юн се насочва към светлината.

В основата на неговия подход стоят два кристала, които произвеждат двойки квантово заплетени фотони. От всяка двойка по един фотон участва в образуването на еднофотонния кюбит.

Използваният метод е известен като интерферометрия с нелинейни източници на заплетени бифотони (entangled nonlinear biphoton source interferometry, ENBS).

Квантовото заплитане е едно от най-необичайните явления в квантовата физика. При него състоянията на две или повече частици са свързани по начин, който не може да бъде обяснен чрез обичайните представи за независими обекти.

В експерименталната схема на Юн посоката на дадено квантово взаимодействие може да се променя чрез регулиране на фазата на светлината, използвана за създаването на фотоните.

Оказва се, че ако фазата се измести с половин цикъл, взаимодействието може да бъде обърнато.

Това не означава, че времето действително потича назад. Променя се посоката, в която протича математически описаният квантов процес.

Какво общо има математиката с посоката на времето?

За да разберем как работи този механизъм, трябва да се обърнем към едно от основните понятия в квантовата механика – хамилтониана.

Това е математически оператор, който описва енергията на квантовата система и определя как състоянието ѝ се изменя с течение на времето.

Ако знакът на хамилтониана бъде обърнат, развитието на системата също се обръща. Тя започва да преминава през същите изменения, но в обратна последователност – сякаш времето за нея е тръгнало назад.

Методът на Юн не променя целия хамилтониан. Вместо това обръща знака само на онази негова част, която описва взаимодействието, контролирано в експеримента.

По този начин се получават две противоположни посоки на квантова еволюция. Образно казано, това е часовник, чиито стрелки могат да се движат както напред, така и назад.

Самото наличие на две възможни посоки обаче не е достатъчно, за да се получи времеви кюбит.

За целта е необходимо още едно ключово свойство на квантовите системи – суперпозицията.

Как един фотон може да следва две противоположни посоки едновременно?

В квантовата механика суперпозицията позволява на една система да съществува в съчетание от няколко възможни състояния, докато не бъде извършено измерване, което да определи резултата.

При времевия кюбит това означава, че двете противоположни посоки на квантова еволюция трябва да могат да съществуват едновременно в общо квантово състояние.

Тук решаваща роля играе фактът, че двата кристала използват светлина от един и същ лазерен източник.

Обикновено при създаването на двойка фотони остава информация, по която може да се установи от кой кристал произхожда тя. Това позволява двата възможни пътя да бъдат разграничени и пречи да се образува необходимата кохерентна суперпозиция.

Когато обаче и двата кристала се захранват със светлина от един общ кохерентен лазерен източник, тази отличителна информация може да бъде потисната.

Така става невъзможно двата процеса да бъдат разграничени по същия начин, а противоположните квантови еволюции могат да интерферират една с друга.

В резултат се получава еднофотонен кюбит, който носи информация не само за два различни пътя, но и за две противоположни посоки на квантова еволюция.

Подобни резултати поставят още по-интересни въпроси за фундаменталната природа на времето. Както показват и други изследвания, разгледани в материала за квантовата природа на времето и неразличимостта между минало и бъдеще, на най-фундаментално равнище посоката на времето може да не е толкова еднозначна, колкото ни подсказва всекидневният опит.

Експеримент отпреди осем години придобива съвсем нов смисъл

Една от най-интересните подробности в работата на Юн е, че той не се нуждае от напълно нов експеримент, за да покаже, че идеята му е осъществима.

Вместо това ученият се връща към измервания, направени от него и колегите му години по-рано, включително при експеримент от 2018 г.

Още тогава екипът е наблюдавал зависимостта на квантовите процеси от фазата на светлината, както и интерференчните ефекти, необходими за реализацията на новата теория.

След като анализира повторно събраните данни, Юн установява, че използваната апаратура може да бъде разглеждана като практическа реализация на еднофотонен времеви кюбит.

С други думи, учените вероятно са разполагали с работещ пример за времеви кюбит още през 2018 г., без тогава да го разпознаят като такъв.

Разбира се, това все още не е окончателно експериментално потвърждение. Данните са получени при изследвания, които първоначално са преследвали други цели, а новата теория е формулирана години по-късно.

Въпреки това резултатите са обещаващи. Те представляват доказателство за принципната осъществимост на идеята – т.нар. proof of concept – и дават основание времевите кюбити да бъдат изследвани в специално разработени за целта експерименти.

Какви възможности открива това за квантовите компютри?

Следващата стъпка е провеждането на по-прецизен експеримент, при който учените ще имат по-добър контрол върху квантовите състояния. Това би позволило да бъде проверен целият набор от операции, предсказани от теорията.

Ако подходът се окаже успешен, той би могъл да намери приложение в бъдещите квантови технологии, включително при разработването на методи за корекция на грешки и обработка на информация в по-сложни квантови системи.

Самият Юн описва перспективите по следния начин:

„Свързването на дискретния времеви кюбит ENBS чрез контролирани времево-честотни измествания с бозонни решетъчни състояния на Готесман–Китаев–Прескил (TF-GKP), реализирани на хардуерно ниво, в хроноцикличното фазово пространство открива надежден път към отказоустойчива темпорална корекция на квантови грешки, обработка на информация чрез високомерни кудити и лабораторни симулации на динамиката на релативистични квантови детектори.“

Звучи сложно. И действително е така.

Но зад тази наситена със специализирани термини формулировка се крие важна идея: ако учените успеят да контролират не само състоянията на квантовите системи, но и посоката на тяхната еволюция, ще разполагат с още един инструмент за управление на квантовата информация.

Това би могло да се окаже полезно в област, в която дори най-малките смущения могат да доведат до грешки и загуба на информация.

Напредъкът в управлението на фотонните квантови състояния вече дава резултати и в други направления. Например учени успяха да телепортират квантова информация, кодирана в светлина, към квантова памет – постижение с потенциално значение за бъдещите комуникационни мрежи.

Засега обаче е важно да се направи едно уточнение: изследването на Юн все още не е преминало през независима научна рецензия.

Пълният текст е достъпен в платформата arXiv.