Físicos coreanos demonstram um qubit temporal de fotão único

No Universo clássico, a seta do tempo aponta apenas num sentido. Mas, no domínio quântico, onde a física clássica deixa de se aplicar, será possível alterar até a direção do tempo?

A capacidade de controlar o sentido da evolução quântica poderá abrir novas formas de processar informação, com implicações particularmente relevantes para a computação quântica.

E essa possibilidade poderá estar ao nosso alcance.

Físicos coreanos demonstraram um qubit cujos processos podem decorrer para trás no tempo. O detalhe ironicamente apropriado é que tiveram de recuar no tempo para o encontrar.

Numa nova pré-publicação, o físico Tai Hyun Yoon, da Universidade da Coreia, desenvolveu uma teoria que descreve aquilo a que chama um qubit temporal de fotão único semeado pelo vácuo quântico. Mostrou também que uma experiência realizada por si e pelos seus colegas em 2018, com um objetivo inteiramente diferente, já o tinha demonstrado inadvertidamente em ação.

O que é um qubit temporal?

A ideia de um qubit temporal é relativamente recente: surgiu numa pré-publicação do físico Yakov Bloch, da Universidade de Telavive, disponibilizada no arXiv em novembro de 2025.

Não se trata propriamente de um qubit capaz de viajar para trás no tempo. Segundo Bloch, é antes um sistema quântico que pode evoluir simultaneamente em dois sentidos temporais opostos.

Imagine-se um relógio cujos ponteiros podem girar ao mesmo tempo no sentido horário e no sentido anti-horário. É aproximadamente essa a ideia, com uma diferença: em vez de fazer recuar o próprio tempo, o qubit permite aos físicos manipular o sentido em que decorre um processo quântico.

Bloch propôs que a ideia poderia ser testada experimentalmente dividindo em dois o percurso de uma partícula quântica, com campos magnéticos opostos ao longo dos dois trajetos, e reunindo-os depois. O padrão de interferência produzido por essa reunião poderia revelar de que forma as duas evoluções opostas estão relacionadas.

À data da redação deste artigo, a proposta continua inteiramente no domínio teórico. Mas Yoon, à semelhança de uma partícula quântica dividida em dois, pegou na ideia e seguiu por outro caminho.

Como a luz permite inverter a evolução quântica

Em vez de recorrer a campos magnéticos para inverter a evolução de uma partícula em rotação, Yoon optou pela luz. A sua abordagem utiliza duas fontes de cristal que geram pares de fotões emaranhados; um fotão de cada par transporta o qubit de fotão único. A técnica chama-se interferometria de fonte não linear de bifotões emaranhados (ENBS).

A direção de uma determinada interação quântica é então controlada através do ajuste da fase da luz utilizada para gerar os fotões.

Alterar a fase em meio ciclo inverte a interação quântica. Isso não acontece porque o próprio tempo passe a fluir para trás, mas porque o processo matemático que rege a interação decorre no sentido oposto.

Na mecânica quântica, a evolução de um sistema ao longo do tempo é regida por uma descrição matemática chamada hamiltoniano. É ela que determina como o estado quântico do sistema muda de um momento para o seguinte.

Se o sinal desse hamiltoniano for invertido, o sistema evolui como se o próprio tempo recuasse, percorrendo em sentido inverso as alterações que de outro modo sofreria.

O método de Yoon não inverte todo o hamiltoniano, mas inverte a parte que rege a interação sob o seu controlo. Obtêm-se assim dois sentidos opostos de evolução quântica, equivalentes a um relógio quântico cujos ponteiros podem girar em qualquer um dos sentidos.

Contudo, dois sentidos opostos, por si só, não constituem um qubit temporal. Para isso é necessário algo mais: a sobreposição, em que ambos os sentidos existem simultaneamente.

É aqui que a luz de laser partilhada se torna importante. Normalmente, a geração de um par de fotões deixa informação que pode revelar qual dos cristais o produziu. Essa informação distingue os dois percursos possíveis e impede-os de produzir a sobreposição coerente necessária para um qubit.

No entanto, ao fornecer luz da mesma fonte laser coerente a ambos os cristais, é possível suprimir a informação que os distingue e permitir que as duas evoluções quânticas opostas interfiram.

O resultado é um qubit de fotão único que codifica não apenas dois percursos diferentes, mas também dois sentidos opostos de evolução quântica.

Experiências anteriores e os próximos testes

Para mostrar que esta abordagem é viável, Yoon não precisou de conceber e construir uma experiência inteiramente nova. Em vez disso, recorreu a medições de experiências que ele e os seus colegas já tinham realizado, incluindo uma de 2018.

Essas experiências tinham demonstrado o comportamento dependente da fase e a interferência exigidos pelo seu novo enquadramento teórico. Ao voltar a analisar os dados anteriormente recolhidos com os colegas, Yoon mostrou que o dispositivo podia ser entendido como uma implementação de um qubit temporal de fotão único.

Como utiliza dados de experiências antigas para investigar uma nova teoria, não é uma demonstração perfeita. Ainda assim, enquanto prova de conceito, sugere que uma investigação dedicada aos qubits temporais poderá trazer benefícios consideráveis.

Uma experiência mais especializada, com um controlo mais rigoroso dos estados quânticos, poderia testar toda a gama de operações previstas pela teoria.

Ou, nas palavras de Yoon: «O acoplamento do qubit temporal discreto ENBS, através de deslocamentos controlados no tempo e na frequência, a estados de grelha bosónicos de Gottesman-Kitaev-Preskill nativos do hardware (TF-GKP) no espaço de fase cronocíclico estabelece uma via robusta para a correção temporal de erros quânticos tolerante a falhas, o processamento de qudits de elevada dimensão e simulações de bancada da dinâmica de detetores quânticos relativistas.»

Pois é.

A investigação, que ainda não foi sujeita a revisão por pares, está disponível no arXiv.

Este artigo foi sujeito a verificação factual e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar um erro, informe-nos.