論文の概要: Single-photon time qubit: Quantum-vacuum control and complementarity of the arrow of time
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.27639v1
- Date: Tue, 20 Oct 2026 05:02:18 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-10-21 21:58:47.656501
- Title: Single-photon time qubit: Quantum-vacuum control and complementarity of the arrow of time
- Title（参考訳）: 単一光子時間量子ビット:時間矢印の量子真空制御と相補性
- Abstract要約: 単一光子時間量子ビットの量子光学理論を定式化し、量子真空制御と時間矢印の相補性を明らかにする。
一方,共有コヒーレントシードはアイドラービームのカスケードやアライメントを伴わずに消去する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Treating the arrow of time as a controllable quantum variable rather than a fixed external parameter is a central challenge in quantum physics. Recently, Bloch~\cite{Bloch2025} proposed the theoretical concept of a \emph{time qubit}, a two-level control space $\mathcal{H}_T=\mathrm{span}\{\ket{+},\ket{-}\}$ that selects between opposite Hamiltonian evolutions $\hat{H}_{\pm}=\hat{H}_0\pm\hat{V}$, but this paradigm has remained experimentally unrealized. Here we formulate the quantum-optical theory of a single-photon time qubit---uncovering quantum-vacuum control and complementarity of the arrow of time---and experimentally probe and validate its predictions using phase-resolved single-photon interferometry from two coherently seeded entangled nonlinear biphoton sources~\cite{Lee2018,Yoon2021}. First, we show theoretically and verify experimentally that a controlled $π$ pump--seed phase inversion during pair creation from the quantum vacuum flips the stimulated displacement generator $\hat{V}\to -\hat{V}$ on top of the spontaneous two-mode squeezing background $\hat{H}_0$, reversing the stimulated evolution time [$\hat{U}_{\mathrm{stim},-}(t)=\hat{U}_{\mathrm{stim},+}(-t)$] and enabling universal single-qubit $\mathrm{SU}(2)$ control and postselection-free first-order tomography on the temporal Bloch sphere. Second, we prove that spontaneous idler vacuum fluctuations record complete which-branch (temporal-direction) information whereas the shared coherent seed erases it without cascading or aligning the idler beams, establishing an exact wave--particle complementarity law $|\bm{r}|=\mathcal{V}=|α|^2/(1+|α|^2)$ for the purity of the arrow of time and enabling direct first-order measurement of the Loschmidt time-reversal echo.
- Abstract（参考訳）: 時間矢印を固定外部パラメータではなく制御可能な量子変数として扱うことは、量子物理学における中心的な課題である。
最近、Bloch~\cite{Bloch2025} は二つのレベル制御空間 $\mathcal{H}_T=\mathrm{span}\{\ket{+},\ket{-}\}$ の理論的概念を提案した。
ここでは、単一光子時間量子ビットの量子光学理論を定式化し、量子真空制御と時間の矢印の相補性を明らかにする。
まず、量子真空からのペア生成において、制御された$π$ポンプ-シード位相反転が刺激された変位発生器$\hat{V}\to -\hat{V}$を、自発的な2モードのスクイージングバックグラウンド$\hat{H}_0$の上に反転させ、刺激された進化時間 [$\hat{U}_{\mathrm{stim},-}(t)=\hat{U}_{\mathrm{stim},+}(-t)$] を反転させ、テンポラルブロッホ球面上の単一量子ビット$\mathrm{SU} (2)$制御とポストフリーな1次トモグラフィーを可能にすることを理論的および実験的に検証する。
第2に,共有コヒーレントシードはカスケードやアライメントをせず,正確な波動-粒子相補性法$|\bm{r}|=\mathcal{V}=|α|^2/(1+||||^2)$を定め,時間アローの純度を考慮し,ロスヒミット時間逆エコーの直接1次測定を可能にする。
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