Квантовый эффект отрицательного времени: эксперимент с фотонами и атомами рубидия, результаты

В эксперименте специалистов Университета Торонто использовались фотоны — квантовые частицы света — и облако атомов рубидия. Эти атомы находятся в резонансе с фотонами определенной энергии, что позволяет энергии фотона временно передаваться атомам в виде атомного возбуждения. Фотон может «пребывать» в атомном облаке некоторое время, прежде чем будет испущен обратно. Однако большинство фотонов рассеиваются в случайных направлениях и не проходят облако насквозь.

Странное явление происходит с теми фотонами, которым удается пройти прямо через облако. Основываясь на среднем времени входа фотона в облако, можно рассчитать ожидаемое время его прибытия на другую сторону, предполагая, что он движется со скоростью света. Оказывается, фотон прибывает гораздо раньше ожидаемого — настолько рано, что кажется, будто он провел отрицательное время внутри облака, в среднем выходя до того, как войти.

Этот эффект был известен с 1993 года, когда его впервые наблюдал Эфраим Стейнберг, один из авторов нового исследования. Однако физики обычно объясняли его тем, что через облако проходит только самая передняя часть длинного импульса света, а остальные фотоны рассеиваются. Стейнберг решил проверить другим способом: «выяснить» у самих атомов рубидия, сколько времени фотон провел среди них в возбужденном состоянии.

Прямое измерение здесь невозможно из-за квантового эффекта Зенона: точное наблюдение за системой разрушило бы само явление, которое нужно изучить. Решением стало аккуратно откалиброванное слабое измерение. Физики пропускали через облако атомов слабый лазерный луч и измеряли малые изменения в фазе его света, чтобы определить, были ли атомы возбуждены. Среднее значение таких изменений, полученных в ходе миллионов экспериментов дало точное время пребывания фотонов в атомном облаке.

Результат оказался поразительным: слабое измерение времени пребывания точно совпало с отрицательным временем, вычисленным по времени прибытия фотонов. Критически важно, что отрицательное значение слабо измеренного времени пребывания нельзя объяснить прохождением только передней части импульса фотона.

Означает ли это, что не за горами разработка машины времени? К сожалению, нет. Эксперимент полностью объясняется стандартной физикой. Но он показывает, что отрицательное время пребывания — не артефакт измерений, а реальное явление с прямым измеримым воздействием на атомное облако.

Ранее физики научились считывать квантовые биты быстрее и с меньшими затратами.