Single-photon time qubit: Quantum-vacuum control and complementarity of the arrow of time

Nelle leggi standard della fisica, il tempo è solitamente trattato come un fondale silenzioso e immutabile. È l'orologio sul muro che ticchetta costantemente in avanti, misurando quanto tempo si muove una particella o come cambia un campo, ma non viene mai considerato una cosa che possa essere afferrata, ruotata o invertita come un oggetto fisico. Mentre gli scienziati possono misurare la posizione di una particella o lo spin di un atomo, il tempo stesso è rimasto un parametro fisso, una strada a senso unico che non può essere entrata come una variabile. Ciò crea un profondo enigma nella fisica quantistica: se le leggi fondamentali della natura funzionano ugualmente bene correndo in avanti o all'indietro, perché la nostra esperienza del tempo si muove solo in una direzione? Per decenni, i ricercatori hanno cercato di immaginare un modo per trattare il tempo non come una regola fissa, ma come una proprietà quantistica che potrebbe esistere in una sovrapposizione, permettendo a un sistema di evolversi in due direzioni opposte contemporaneamente.

Un team di fisici ha ora trasformato questa idea da un esperimento mentale teorico in una realtà di laboratorio operativa. Costruendo un dispositivo ottico specializzato, hanno creato un singolo fotone che trasporta un "qubit temporale", un bit quantistico che codifica la direzione stessa del tempo. In questo esperimento, i ricercatori non si sono limitati a osservare il tempo; hanno attivamente controllato il flusso, invertendo il flusso dell'evoluzione di un fotone in avanti, all'indietro e di nuovo in avanti. Hanno dimostrato che manipolando con cura la fase delle onde luminose durante la creazione di un fotone dallo spazio vuoto, potevano costringere quel fotone a evolversi come se il tempo scorresse all'indietro. Questo traguardo dimostra che la freccia del tempo può essere trattata come una variabile quantistica controllabile, aprendo una nuova porta per testare le simmetrie più profonde dell'universo e potenzialmente costruire futuri computer quantistici che operano su una logica basata sul tempo.

Il viaggio verso questa svolta è iniziato con una proposta teorica di un fisico di nome Bloch, che immaginò un "qubit temporale" come un sistema a due livelli, simile a una moneta che può essere testa o croce, ma dove i due lati rappresentano l'evoluzione temporale in avanti o all'indietro. Per anni, questo è rimasto un concetto matematico, un "gedankenexperiment" o esperimento mentale, perché nessuno sapeva come costruirlo senza fare affidamento su particelle che già esistevano. La sfida era generare una particella che potesse esistere simultaneamente in uno stato di movimento in avanti e in movimento all'indietro nel tempo, e poi misurare quello stato senza distruggere la delicata informazione quantistica. I ricercatori dell'Università della Corea, guidati da Tai Hyun Yoon, hanno risolto questo problema sostituendo l'impostazione passiva delle idee precedenti con un sistema attivo che crea fotoni dal vuoto quantistico.

Nel loro esperimento, il team ha utilizzato un dispositivo chiamato interferometro di Mach-Zehnder, una classica configurazione nell'ottica in cui un fascio di luce viene diviso in due percorsi e poi ricombinato. Tuttavia, invece di dividere un singolo fotone che stava già viaggiando attraverso il laboratorio, hanno sostituito il divisore di fascio iniziale con due cristalli paralleli fatti di un materiale chiamato niobato di litio periodicamente polarizzato. Questi cristalli erano pilotati da un potente laser a impulsi e "seminati" con un fascio laser continuo e costante. Quando il laser a impulsi colpiva i cristalli, innescava un processo in cui coppie di fotoni venivano create spontaneamente dal vuoto dello spazio vuoto. Un fotone di ogni coppia era un fotone di segnale, e l'altro era un fotone idler (accompagnatore). Regolando attentamente la temporizzazione e la fase dei laser che colpivano i due cristalli, i ricercatori potevano controllare come questi nuovi fotoni venissero nati.

La chiave per controllare la freccia del tempo risiedeva nella relazione di fase tra i laser e i cristalli. I ricercatori scoprirono che spostando la fase del laser di semina in un cristallo di una quantità specifica rispetto all'altro, potevano invertire il modo in cui il fotone di segnale evolveva. In un percorso, il fotone evolveva normalmente, come se il tempo scorresse in avanti. Nell'altro percorso, la stessa operazione matematica faceva sì che il fotone evolvesse come se il tempo scorresse all'indietro. Questo non era un trucco di prospettiva; il fotone nel secondo percorso era matematicamente identico a un fotone che era stato inviato indietro nel tempo. I due percorsi, che rappresentavano il tempo in avanti e all'indietro, venivano poi ricombinati alla fine dell'interferometro.

Ciò che rese questo esperimento davvero unico fu il modo in cui i ricercatori gestirono l'informazione "which-way" (quale percorso). Nella meccanica quantistica, se si conosce quale percorso ha preso una particella, il pattern di interferenza che prova la sua natura ondulatoria scompare. In questo caso, il "percorso" era la direzione del tempo. I ricercatori scoprirono che le fluttuazioni del vuoto dei fotoni idler agivano come una registrazione di quale direzione temporale il fotone di segnale avesse intrapreso. Se i fotoni idler fossero stati lasciati liberi, avrebbero rivelato se il fotone di segnale si fosse mosso in avanti o all'indietro, distruggendo la sovrapposizione quantistica. Tuttavia, utilizzando un laser di semina coerente e condiviso per stimolare la creazione dei fotoni, i ricercatori potevano cancellare questa informazione. Il laser di semina costringeva i due percorsi a diventare indistinguibili, permettendo al fotone di segnale di esistere in una pura sovrapposizione di movimento in avanti e all'indietro nel tempo simultaneamente.

Il team ha verificato questo misurando la visibilità dei pattern di interferenza. Scoprirono una relazione precisa tra la forza del laser di semina e la chiarezza della sovrapposizione temporale. Quando il seme era debole, le fluttuazioni del vuoto dominavano e il fotone si comportava come un oggetto classico con una direzione temporale definita. Aumentando la forza del seme, l'informazione "which-way" veniva cancellata e il fotone entrava in uno stato di pura sovrapposizione quantistica, dove la freccia del tempo non era più fissa. Ciò ha confermato una legge fondamentale di complementarità: più si conosce la direzione del tempo, meno si può vedere l'interferenza ondulatoria del tempo stesso, e viceversa.

Il team ha dimostrato che, oltre a provare che il tempo può essere una variabile quantistica, potevano eseguire operazioni universali su questo qubit temporale, proprio come un computer esegue porte logiche su un bit standard. Regolando la fase del laser di semina, potevano ruotare lo stato del qubit temporale, trasformando uno stato di tempo puro in avanti in uno di tempo all'indietro, o creando miscele complesse di entrambi. Dimostrarono di poter misurare lo stato del qubit temporale senza dover scartare dati o aspettare rare coincidenze, un'impresa che era stata impossibile con i metodi precedenti. Ciò ha permesso loro di misurare direttamente l'eco di Loschmidt, una quantità che descrive quanto bene un sistema possa essere invertito nel tempo, fornendo un nuovo modo per testare la reversibilità delle leggi fisiche.

L'esperimento ha anche unificato diversi modi di pensare al tempo nella fisica quantistica. Ha riunito l'idea di un qubit temporale discreto, il concetto di un orologio relazionale dove il tempo è definito dalla relazione tra i sistemi, e la descrizione continua onda-frequenza del tempo. Ancorando il qubit temporale a un pettine di frequenze — un laser che produce uno spettro di frequenze equispaziate — i ricercatori hanno creato un sistema in cui i passi discreti del tempo e il flusso continuo del tempo coesistevano in un unico dispositivo misurabile. Questa unificazione suggerisce che la freccia del tempo non è una caratteristica fondamentale e immutabile dell'universo, ma una proprietà che può essere manipolata, controllata e persino invertita sotto le giuste condizioni quantistiche.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre il laboratorio. La capacità di controllare la direzione del tempo a livello quantistico potrebbe portare a nuovi tipi di sensori quantistici e computer più robusti contro gli errori. Offre anche un nuovo modo per simulare sistemi fisici complessi, come quelli che si trovano nell'universo primordiale o vicino ai buchi neri, dove il flusso del tempo si comporta diversamente rispetto alla nostra esperienza quotidiana. I ricercatori hanno dimostrato che la freccia del tempo non è un muro rigido, ma un cursore che può essere girato, aprendo la porta a un futuro in cui la trama stessa del tempo può essere ingegnerizzata per applicazioni pratiche. Questo lavoro è una testimonianza del potere dell'ottica quantistica di trasformare concetti teorici astratti in una realtà tangibile e controllabile, provando che anche gli aspetti più fondamentali del nostro universo sono soggetti alle regole della meccanica quantistica.