Un fotone può codificare due direzioni opposte di evoluzione quantistica

Un qubit a singolo fotone può codificare due direzioni opposte di evoluzione quantistica, come un «orologio» le cui lancette girano in entrambi i sensi. È quanto sostiene il fisico Tai Hyun Yoon, della Korea University, in un nuovo preprint: riesaminando dati raccolti in esperimenti precedenti, tra cui uno condotto nel 2018, ha mostrato che quei risultati possono essere interpretati come una realizzazione di un qubit temporale. La ricerca, non ancora sottoposta a revisione paritaria, è disponibile su arXiv.

Il qubit temporale non è una particella che viaggia davvero all’indietro nel tempo. Il concetto, introdotto in un preprint caricato su arXiv nel novembre 2025 dal fisico Yakov Bloch dell’Università di Tel Aviv, descrive un sistema quantistico capace di evolvere simultaneamente in due direzioni temporali opposte. L’idea ricorda un orologio con lancette che girano nello stesso momento in senso orario e antiorario: non si inverte il tempo in sé, ma si manipola la direzione in cui avviene un processo quantistico.

Questa possibilità potrebbe offrire nuovi strumenti per elaborare informazioni, con potenziali applicazioni nel calcolo quantistico. Bloch aveva proposto di verificare il concetto dividendo il percorso di una particella quantistica in due, applicando campi magnetici opposti lungo i tragitti e poi ricongiungendoli. La figura d’interferenza risultante potrebbe rivelare il legame tra le due evoluzioni. Al momento, però, questa proposta resta teorica.

Yoon ha seguito una strada diversa, basata sulla luce. Il suo metodo impiega due cristalli che generano coppie di fotoni entangled, cioè legati da una correlazione quantistica; un fotone di ciascuna coppia costituisce il qubit a singolo fotone. La tecnica è chiamata interferometria con sorgente entangled non lineare di bifotoni (ENBS). Regolando la fase della luce usata per generare i fotoni, si può controllare la direzione di una specifica interazione quantistica. Uno spostamento di fase pari a mezzo ciclo inverte l’interazione: non fa scorrere il tempo all’indietro, ma cambia il verso del processo matematico che la descrive.

In meccanica quantistica, l’evoluzione di un sistema è governata dall’hamiltoniana, una descrizione matematica che stabilisce come cambia il suo stato da un istante al successivo. Invertire il segno dell’hamiltoniana fa evolvere il sistema come se il tempo scorresse al contrario, ripercorrendo i cambiamenti che avrebbe altrimenti subito. Il metodo di Yoon non inverte l’intera hamiltoniana, ma soltanto la parte che governa l’interazione controllata. In questo modo produce due direzioni opposte di evoluzione quantistica.

Per ottenere un qubit temporale, tuttavia, non basta avere entrambe le direzioni: occorre che siano in sovrapposizione, cioè presenti simultaneamente. Qui entra in gioco la luce laser condivisa dai due cristalli. In condizioni normali, la generazione dei fotoni può lasciare informazioni che permettono di capire quale cristallo abbia prodotto la coppia. Questi indizi distinguono i due percorsi e impediscono la sovrapposizione coerente necessaria. Alimentando entrambi i cristalli con luce proveniente dalla stessa sorgente laser coerente, si possono sopprimere le informazioni che li distinguono e permettere alle due evoluzioni opposte di interferire. Il fotone risultante codifica così non solo due percorsi, ma anche due direzioni di evoluzione quantistica.

Per mostrare che l’approccio è fattibile, Yoon non ha costruito un nuovo apparato: ha rianalizzato misurazioni di esperimenti già svolti da lui e dai suoi colleghi, compreso quello del 2018. Quei lavori avevano osservato il comportamento dipendente dalla fase e l’interferenza richiesti dalla nuova interpretazione teorica. Secondo Yoon, i dati mostrano quindi che l’apparato poteva realizzare un qubit temporale a singolo fotone, anche se gli esperimenti erano stati condotti con un altro obiettivo.

La prova ha però dei limiti: si basa su dati raccolti in precedenza per studiare una teoria nuova e non costituisce una dimostrazione sperimentale completa. Un esperimento progettato appositamente, con un controllo più preciso degli stati quantistici, potrebbe verificare l’intera gamma di operazioni previste. Yoon scrive che «l’accoppiamento del qubit temporale discreto ENBS, tramite spostamenti tempo-frequenza controllati, agli stati a griglia bosonici Gottesman-Kitaev-Preskill (TF-GKP) nativi dell’hardware nello spazio delle fasi cronociclico apre una solida strada verso la correzione degli errori quantistici temporali tollerante ai guasti, l’elaborazione di qudit ad alta dimensionalità e le simulazioni da tavolo della dinamica dei rivelatori quantistici relativistici», come scrive Yoon.

Fonte: sciencealert.com