Квантовият експеримент, при който светлинна частица се движи едновременно напред и назад във времето едновременно, е още един пример за странностите на квантовата реалност.

Това не е пътуване във времето и няма да доведе до общуване с миналото, но е интригуваща демонстрация на това как може времето да работи на квантово ниво.

Въпреки че този експеримент, демонстриран от две изследователски групи, няма непосредствена практическа употреба, той може да има значение за квантовите компютри или дори да помогне за разработването на теория за квантовата гравитация.

За нас времето тече само в една посока (напред). Този досаден малък факт, който ни предпазва от всякакви парадокси, се нарича стрела на времето. Смята се, че е свързано с концепцията за ентропия (която винаги се увеличава в изолирана система като Вселената), но това не е толкова задължително на квантово ниво.

Фундаментална е така наречената CPT симетрия (симетрия на зарядите, паритет или пространствена инверсия (отражение) и обратимост на времето). Тя важи за всички физически явления и ако комбинация от две от тях е нарушена (като известните нарушения на CP), трябва да има нарушение и в симетрията на времето.

Това има някои забавни теоретични приложения, например когато електрон, който се движи напред във времето, може да се разглежда като огледален позитрон (антиматериен еквивалент на електрона), който се връща назад във времето. Математически това работи, но няма да ни помогне да пътуваме във времето.

Илюстрация:quantum diaries

Отрицателен заряд, който се движи към вас е еквивалентен на положителен заряд, който се отдалечава. За да се запази CPT-симетрията чисто математически е необходимо след като се нарушава CP- компонентата, да има и съответното нарушение на третия компонент, в случая - T. Лявоориентираната Вселена е еквивалентна на дясноориентираната АнтиВселена.

За разлика от нашето еднопосочно усещане за време, законите на квантовата физика са безразлични към посоката, в която се случват нещата. Не можем разтворената бучка захар да извадим от кафето отново цяла, но можем да обърнем състоянието на фотон, преминаващ през кристал, което математически е равносилно на връщане на фотона назад във времето.

Друга странност на квантовия свят е, че едно квантово състояние може да има няколко стойности едновременно, наречени суперпозиция, докато не го измерим. Котката на Шрьодингер е известен пример, при който теоретична котка може да бъде в квантово състояние като жива и мъртва в кутия, докато не се отвори капакът на кутията, в която се намира.

Миналата година Джулио Кирибела (Giulio Chiribella) от Оксфордския университет и колегите му комбинират тези две идеи, като уточняват математиката за това как може да изглежда суперпозиция от процеси, които се движат напред и назад във времето.

Наричат го квантово преобръщане на времето (quantum time flip).

"В известен смисъл може да се каже, че квантовото преобръщане на времето е котката на Шрьодингер за посоката на времето", обяснява Чирибела.

Вместо жива или мъртва, става въпрос дали процесът се развива напред или назад.

"Така че, подобно на котката, в крайна сметка бихте се оказали в кохерентна суперпозиция от напред и назад, което означава, че не сте нито напред, нито назад, или че сте едновременно и напред, и назад [във времето]", пояснява Кирибела. 

След като квантовата механика позволява суперпозиция на състояния - защо да няма и суперпозиция на процеси?

Сега Крибела и колегите му демонстрират експериментално, че квантовото преобръщане на времето наистина е възможно. Екипът разделя фотон, частица светлина, в суперпозиция от две отделни траектории, които преминават през кристал - едната отдясно наляво, а другата отляво надясно. Докато по пътя отдясно наляво фотонът се движи нормално, пътят отляво надясно през кристала влияе на поляризацията или ориентацията на фотона точно по начина, по който би се повлиял, ако се движи назад във времето.

Фотонният разделител не позволява на изследователите да определят кой път е изминал фотонът, тъй като той се намира в суперпозиция от двете траектории. Но в края на пътя те рекомбинират разделения фотон и измерват неговата поляризация. Като повтаря този експеримент достатъчно пъти, екипът може статистически да докаже, че фотонът трябва да е бил в суперпозиция от времеви процеси.

Теодор Стрьомберг (Teodor Strömberg) от Виенския университет, Австрия, и колегите му също са използвали подобна експериментална установка, за да демонстрират квантово преобръщане на времето, и двата екипа са искали да видят за какво може да се използва.

През 2021 г. екипът на Чирибела разработва задача, която включва изследване на връзката между два квантови логически порта, при които входовете и изходите могат да бъдат реверсивни - т.е. изчислени в двете посоки. При експерименталните опити и двата екипа установяват, че тази задача е възможна за всяка двойка логически портове само ако има достъп до квантово преобръщане на времето.

"Ние показахме, че ако може да се съвмести един процес и неговото обратно развитие във времето, то то съществуват изчислителни задачи, за които може да се постигне по-добър резултат от процеси, при които времето тече в определена посока", обяснява Стрьомберг.

"Това е наистина вълнуващо, защото сега разполагаме с инструмент, нещо, което е било заровено там от самото начало на квантовата механика", коментира Ерик Лутц (Eric Lutz) от Университета в Щутгарт, Германия, който не е участвал в изследването..

Макар да не е ясно в момента как може да бъде полезно, значението на квантовата суперпозиция също не е било очевидно веднага, когато е била открита, но сега тя играе решаваща роля за функционирането на квантовите компютри, посочва Лутц.

"Перспективата да направим нещо подобно със суперпозиция на посоките на времето напред и назад е вълнуваща."

Това би могло да ни помогне да се справим с един от най-големите нерешени проблеми във физиката, а именно съчетаването на квантовата механика с нашето разбиране за гравитацията, за да се създаде квантова теория на гравитацията, отбелязва Люсиен Харди (Lucien Hardy) от Института "Периметър" в Канада.

"Тази нова теория на квантовата гравитация бихме очаквали да има причинно-следствена неопределеност", посочва той, което означава, че ще се появят суперпозиции от различни посоки на времето. "Това ни кара да се замислим по-внимателно за тези понятия, за това какво разбираме под посока на времето."

Experimental superposition of time directions - Teodor Strömberg, Peter Schiansky, Marco Túlio Quintino, Michael Antesberger, Lee Rozema, Iris Agresti, Časlav Brukner, Philip Walther arxiv.org/abs/2211.01283

Experimental demonstration of input-output indefiniteness in a single quantum device - Yu Guo, Zixuan Liu, Hao Tang, Xiao-Min Hu, Bi-Heng Liu, Yun-Feng Huang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo, Giulio Chiribella arxiv.org/abs/2210.17046

Experiments Deliver Superposition Of Photon Going Forward And Backward In Time, IFLScience

Quantum trick sees light move forwards and back in time simultaneously, New Scientist