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多伦多大学的一项实验表明,光子能在原子云中“待”负时间,该结果已发表在《物理评论快报》上,距其首次以预印本形式流传已过去一年半,如今终于通过了同行评审。这项研究由Aephraim Steinberg领导,第一作者为Daniela Angulo,合作者包括格里菲斯大学理论物理学家Howard Wiseman,研究发现,直接穿过冷铷原子云光子可以记录到负的原子激发时间,看起来像是“先出后进”,并且当在传输过程中探测原子时,原子本身也报告了相同的负值。

这篇经过同行评审的论文于四月发表,换掉了2024年9月arXiv预印本中有点挑衅的调调,采用了更低调的标题,团队再次强调,该效应完全由标准物理学解释,跟超光速通信啥的完全不沾边。

当光子穿过铷原子云时,它可能被短暂吸收,以原子激发能的形式储存,然后重新发射。为了在不破坏这一储存过程的前提下测量其持续时间,研究团队向原子云发射了第二束弱激光,并通过检测该光束中微小的相位变化,来实时追踪原子是否处于激发状态。

由于对量子系统的任何单次测量都会对其造成干扰,因此每一次实验都淹没在噪声中,只有在约七组参数下、对大约一百万次实验进行平均后,才能得出清晰的数值,累计耗时约70小时收集数据,整个过程相当耗时。《物理世界》报道称,透射光子的测量激发时间降至基线值的负0.82倍,即比基线值低82%,而该基线(即所有光子的平均激发时间)介于10至20纳秒之间。

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斯坦伯格在1993年也参与合作的一项实验表明,传送的光子在其脉冲中心还没进入介质时,就已经到达了探测器。这个效应跟一个老早就有名的光学量——群延迟——有关。物理学家们基本上都把负值当成一种假象,没太当回事,理由是只有脉冲的前沿通常能撑过这段路程,这样一来,剩下的那些看起来就像提前到了。直接去量原子,就把这个后路给堵死了,因为原子里的激发态,单独读出来,结果也是负的。

怀斯曼告诉《生活科学》杂志:“这并不意味着我们即将造出时间机器或类似的东西。”他补充说,这一结果只是另一个出人意料的量子特性,而非对已知物理学的突破。斯坦伯格在2024年曾表示,他认为这项工作没有通往实际应用的途径;尽管光子学系统仍然是基于光的量子计算和量子互联网方案的核心,但这个提醒到现在依然适用。

根据怀斯曼的说法,下一个测试针对的是那些未能穿透云层的散射光子:理论预测,它们携带了足够的额外正激发时间,从而让光束的整体平均值维持在零或以上,这个预测目前还没实测过。