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

In de standaardwetten van de natuurkunde wordt tijd meestal behandeld als een stille, onveranderlijke achtergrond. Het is de klok aan de muur die met een gestage pas vooruit tikt en meet hoe lang een deeltje beweegt of hoe een veld verandert, maar het wordt nooit beschouwd als iets dat vastgehouden, gedraaid of omgekeerd kan worden zoals een fysiek object. Terwijl wetenschappers de positie van een deeltje of de spin van een atoom kunnen meten, is de tijd zelf een vaste parameter gebleven, een eenrichtingsweg die niet betreden kan worden als een variabele. Dit creëert een diep puzzelstuk in de kwantumfysica: als de fundamentele wetten van de natuur even goed werken als ze achteruit als vooruit lopen, waarom beweegt onze ervaring van de tijd dan slechts in één richting? Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd een manier te bedenken om tijd niet als een vaste regel te behandelen, maar als een kwantumeigenschap die in een superpositie zou kunnen bestaan, waardoor een systeem tegelijkertijd in twee tegenovergestelde richtingen kan evolueren.

Een team van natuurkundigen heeft dit idee nu van een theoretisch gedachte-experiment veranderd in een werkende laboratoriumrealiteit. Door de bouw van een gespecialiseerd optisch apparaat hebben zij een enkel foton gecreëerd dat een "tijdqubit" draagt, een kwantumbit die de richting van de tijd zelf codeert. In dit experiment observeerden de onderzoekers de tijd niet alleen; ze controleerden de stroom van de tijd actief, door de evolutierichting van een foton van voorwaarts naar achterwaarts en weer terug te keren. Ze demonstreerden dat door de fase van lichtgolven tijdens de creatie van een foton uit de lege ruimte zorgvuldig te manipuleren, ze dat foton konden dwingen te evolueren alsof de tijd in omgekeerde richting liep. Deze prestatie bewijst dat de pijl van de tijd behandeld kan worden als een controleerbare kwantumvariabele, wat een nieuwe deur opent voor het testen van de diepste symmetrieën van het universum en het potentieel bouwen van toekomstige kwantumcomputers die opereren op tijdsgebaseerde logica.

De reis naar deze doorbraak begon met een theoretisch voorstel door een natuurkundige genaamd Bloch, die een "tijdqubit" voorstelde als een tweelags systeem, vergelijkbaar met een munt die kop of munt kan zijn, maar waarbij de twee zijden voorwaartse en achterwaartse tijdevolutie vertegenwoordigen. Jarenlang bleef dit een wiskundig concept, een "gedankenexperiment" of gedachte-experiment, omdat niemand wist hoe men dit kon bouwen zonder te vertrouwen op deeltjes die al bestonden. De uitdaging was om een deeltje te genereren dat tegelijkertijd kon bestaan in een staat van beweging voorwaarts en achterwaarts in de tijd, en dat deze staat te meten zonder de delicate kwantuminformatie te vernietigen. De onderzoekers aan de Korea University, onder leiding van Tai Hyun Yoon, losten dit op door de passieve opstelling van eerdere ideeën te vervangen door een actief systeem dat fotonen creëert uit het kwantumvacuüm.

In hun experiment gebruikten het team een apparaat genaamd een Mach-Zehnder-interferometer, een klassieke opstelling in de optica waarbij een lichtstraal in twee paden wordt gesplitst en vervolgens weer wordt samengevoegd. Echter, in plaats van een enkel foton dat al door het laboratorium reisde te splitsen, vervingen ze de initiële beamsplitter door twee parallelle kristallen gemaakt van een materiaal genaamd periodiek gepolijst lithiumniobaat. Deze kristallen werden aangedreven door een krachtige, gepulseerde laser en gezaaid met een continue, constante laserstraal. Wanneer de gepulseerde laser de kristallen raakte, triggerde dit een proces waarbij paren fotonen spontaan werden gecreëerd uit het vacuüm van de lege ruimte. Eén foton van elk paar was een signaal-foton, en het andere was een idler-foton. Door de timing en fase van de lasers die de kristallen raken zorgvuldig aan te passen, konden de onderzoekers controleren hoe deze nieuwe fotonen werden geboren.

De sleutel tot het controleren van de pijl van de tijd lag in de faseverhouding tussen de lasers en de kristallen. De onderzoekers ontdekten dat door de fase van de zaadlaser in één kristal met een specifieke hoeveelheid ten opzichte van de andere te verschuiven, ze de manier waarop het signaal-foton evolueerde konden inverteren. In het ene pad evolueerde het foton normaal, alsof de tijd voorwaarts stroomde. In het andere pad veroorzaakte dezelfde wiskundige operatie dat het foton evolueerde alsof de tijd achterwaarts stroomde. Dit was geen truc van perspectief; het foton in het tweede pad was wiskundig identiek aan een foton dat in de tijd was teruggestuurd. De twee paden, die voorwaartse en achterwaartse tijd vertegenwoordigden, werden aan het einde van de interferometer samengevoegd.

Wat dit experiment werkelijk uniek maakte, was hoe de onderzoekers omgingen met de "welk-weg"-informatie. In de kwantummechanica, als je weet welk pad een deeltje heeft genomen, verdwijnt het interferentiepatroon dat zijn golfachtige natuur bewijst. In dit geval was het "pad" de richting van de tijd. De onderzoekers ontdekten dat de vacuümfluctuaties van de idler-fotonen fungeerden als een verslag van welke tijdsrichting het signaal-foton had genomen. Als de idler-fotonen ongemoeid zouden worden gelaten, zouden ze onthullen of het signaal-foton voorwaarts of achterwaarts was bewogen, wat de kwantumsuperpositie zou vernietigen. Echter, door een gedeelde, coherente zaadlaser te gebruiken om de creatie van de fotonen te stimuleren, konden de onderzoekers deze informatie wissen. De zaadlaser dwong de twee paden ononderscheidbaar te worden, waardoor het signaal-foton in een zuivere superpositie kon bestaan van het tegelijkertijd voorwaarts en achterwaarts bewegen in de tijd.

Het team verifieerde dit door de zichtbaarheid van de interferentiepatronen te meten. Ze vonden een nauwkeurige relatie tussen de sterkte van de zaadlaser en de helderheid van de tijds-superpositie. Wanneer de zaadlaser zwak was, domineerden de vacuümfluctuaties en gedroeg het foton zich als een klassiek object met een definitieve tijdsrichting. Naarmate ze de sterkte van de zaadlaser verhoogden, werd de "welk-weg"-informatie gewist, en het foton trad binnen in een staat van zuivere kwantumsuperpositie, waarin de pijl van de tijd niet langer vaststond. Dit bevestigde een fundamentele wet van complementariteit: hoe meer je weet over de richting van de tijd, hoe minder je de golfachtige interferentie van de tijd zelf kunt zien, en vice versa.

Het team demonstreerde ook dat zij universele operaties konden uitvoeren op deze tijdqubit, net zoals een computer logische poorten uitvoert op een standaard bit. Door de fase van de zaadlaser aan te passen, konden ze de staat van de tijdqubit roteren, waardoor een zuivere voorwaartse tijdsstaat werd omgezet in een achterwaartse tijdsstaat, of complexe mengsels van beide creëerde. Ze toonden aan dat ze de staat van de tijdqubit konden meten zonder gegevens weg te gooien of te wachten op zeldzame toevalligheden, een prestatie die met eerdere methoden onmogelijk was geweest. Dit stelde hen in staat om direct de "Loschmidt-echo" te meten, een grootheid die beschrijft hoe goed een systeem in de tijd kan worden omgekeerd, wat een nieuwe manier biedt om de omkeerbaarheid van natuurwetten te testen.

Het experiment verenigde ook verschillende manieren van denken over tijd in de kwantumfysica. Het bracht het idee van een discrete tijdqubit, het concept van een relationele klok waarbij tijd wordt gedefinieerd door de relatie tussen systemen, en de continue golfachtige beschrijving van tijd en frequentie samen. Door de tijdqubit te verankeren aan een frequentiekam — een laser die een spectrum van gelijkmatig gescheiden frequenties produceert — creëerden de onderzoekers een systeem waarin de discrete stappen van de tijd en de continue stroom van de tijd in een enkel, meetbaar apparaat samenbestonden. Deze unificatie suggereert dat de pijl van de tijd geen fundamenteel, onveranderlijk kenmerk van het universum is, maar een eigenschap die gemanipuleerd, gecontroleerd en zelfs omgekeerd kan worden onder de juiste kwantumcondities.

De implicaties van dit werk reiken verder dan het laboratorium. Het vermogen om de richting van de tijd op kwantumniveau te controleren, zou kunnen leiden tot nieuwe soorten kwantumsensoren en computers die robuuster zijn tegen fouten. Het biedt ook een nieuwe manier om complexe fysieke systemen te simuleren, zoals die in het vroege universum of nabij zwarte gaten, waar de stroom van de tijd anders werkt dan in onze dagelijkse ervaring. De onderzoekers hebben aangetoond dat de pijl van de tijd geen rigide muur is, maar een draaiknop die gedraaid kan worden, wat de deur opent naar een toekomst waarin het weefsel van de tijd zelf kan worden ingenierd voor praktische toepassingen. Dit werk staat als een testament voor de kracht van kwantumoptica om abstracte theoretische concepten te veranderen in een tastbare, controleerbare realiteit, en bewijst dat zelfs de meest fundamentele aspecten van ons universum onderworpen zijn aan de regels van de kwantummechanica.