Univerzitet u Torontu izmerio „negativno vreme“ u kvantnom eksperimentu — šta to znači?

Tim sa Univerziteta u Torontu eksperimentalno je registrovao negativne slabe vrednosti za vreme tokom kojeg su atomi ostajali pobuđeni zbog fotona koji prolaze kroz oblak atoma — rezultat koji na prvi pogled zvuči kao paradoks, ali ne znači putovanje kroz vreme. Rad, čiji su autori Daniela Angulo, Kyle Thompson, Vida‑Michelle Nixon, Andy Jiao, Howard M. Wiseman i Aephraim M. Steinberg, objavljen je u Physical Review Letters 13. aprila 2026.

The study, led by Professor Aephraim Steinberg at the University of Toronto, ignited considerable debate. (CREDIT: University of Toronto)

Osnovna ideja: Kada optički impuls prođe kroz materiju blizu atomske rezonance, različite frekvencijske komponente mogu biti različito kašnjenje, a njihova interferencija može oblikovati izlazni puls tako da njegov vrh izgleda kao da izlazi ranije — to se opisuje kao negativno grupno kašnjenje (group delay). Tradicionalno se to tumači kao preoblikovanje talasa, ali pitanje koje su postavili istraživači glasilo je: da li takav negativan broj ima stvarne posledice unutar samog atomsko‑svetlosnog sistema?

Experimental physicist Daniela Angulo poses with an apparatus in the physics lab at the University of Toronto. (CREDIT: University of Toronto)

Eksperimentalni pristup: Grupa je koristila hladan oblak 85Rb atoma. Slabi signalni pulsi prolazili su kroz oblak dok je nezavisan, vanrezonantni probe snop presezao istu zonu. Dok signalni foton prolazi, deo njegove energije može privremeno biti pohranjen kao kolektivno atomsko pobuđenje; to pobuđenje menja indeks prelamanja oblaka i pomera fazu probe snopa putem kros‑Kerr efekta. Merenjem vremenskog integrala faznog pomaka probe tim je dobio indirektan zapis o tome koliko su dugo atomi bili u pobuđenom stanju.

Schematics of experimental setup. (a) Atomic level scheme. (b) Conceptual diagram of the experimental apparatus: a resonant pulsed beam (signal) and off-resonant continuous-wave beam (probe) counter-propagate through a cloud of cold 85Rb atoms, detected at opposite sides of the apparatus. (CREDIT: Physical Review Letters / arXiv)

Ključno merenje uključivalo je slaba merenja (weak measurement) u kombinaciji sa postselektacijom: istraživači su čuvali samo one pokušaje koji su završili otkrivanjem fotona koji je uspešno prošao kroz oblak (transmisija bez rasipanja). Kombinovanjem mnogih takvih slabih merenja dobili su prosečnu vrednost — tzv. weak value — povezanу s vremenom pobuđenja preduslovljeno tim konačnim ishodom.

Atomic excitation times depicted as the ratio τT/τ0, obtained through integration over the regions. (CREDIT: Physical Review Letters / arXiv)

Rezultati: Izmerena vremena pobuđenja (u odnosu na referentno eksperimentalno vreme) pratila su proračunato grupno kašnjenje. U nekim režimima oba su bila pozitivna; u drugim, oba su postala negativna. Konkretno, tim je izmerio vrednosti u opsegu od −0,82 ± 0,31 do +0,54 ± 0,28, pri čemu je negativni rezultat bio najočitiji za najužespektarne pulseve.

The level scheme used in the experiment; Ωp(s) is the probe (signal) Rabi frequency, Δp is the probe detuning, and Γ is the spontaneous decay rate of the excited state. (CREDIT: PRX Quantum)

Šta to zapravo znači? Negativna slaba vrednost ne tvrdi da je pojedinačan atom bio pobuđen "manje od nule sekundi" ili da je informacija putovala unazad kroz vreme. Umesto toga, radi se o uslovnom proseku koji opisuje celu sekvencu pripreme sistema, interakcije i konačne selekcije ishoda. Taj uslovni prosek predviđa stvarnu, merljivu faznu promenu u probe snopu — dakle negativan broj ima konkretan eksperimentalni efekat, a ne samo matematičku egzotiku.

(a) Level scheme and (b) conceptual diagram of an experiment to measure atomic excitation times. (CREDIT: APL Quantum)

Teorijska interpretacija: Analiza objavljena u APL Quantum (septembar 2025) tretira atomsko pobuđenje kao oblik kvantnog dwell‑vremena (quantum dwell time). Rad pokazuje da je vreme pobuđenja povezano sa spektralno prosečnim grupnim kašnjenjem, uključujući i negativne vrednosti. Modeli takođe objašnjavaju kako kvantna interferencija između više mogućih "istorija" fotona (npr. prolazak bez značajnog pobuđenja nasuprot privremenom skladištenju energije u atomima) može dovesti do negativnog doprinosa kada se zadrže samo eksperimenti koji daju transmisiju.

Phase shift in a shot (time window containing one pulse) acquired by the probe over time. (CREDIT: Physical Review Letters / arXiv)

Nastavci i implikacije: U junu 2026. Jiao, Nixon, Thompson i Steinberg objavili su preprint koji pokazuje širi opseg primena slabih vrednosti: uz postselektaciju su izmerili vršni kros‑fazni pomak šest puta veći nego za uporedive Gaussove pulseve bez postselektacije (nesigurnost ±1) pri optičkoj dubini ~2.4. Taj rad još nije prošao recenziju, ali demonstrira kako priprema, interferencija i postselektacija mogu pojačati pojedinačne fotonske efekte.

Značaj: Eksperiment ne ruši relativnost niti otvara put ka putovanju kroz vreme, ali je važan zato što pokazuje da negativne slabe vrednosti predviđaju opipljiv laboratorijski signal. Rezultati unapređuju razumevanje kvantne dinamike svetla i materije i otvaraju put ka preciznijem iskorišćavanju interferencije i postselektacije u kvantnim mernim protokolima i nelinearnim optičkim efektima.

Ukratko: Negativno grupno kašnjenje je fizički relevantno i može se manifestovati kao negativna slaba vrednost vremena atomske pobude; to je rezultat kvantne interferencije u uslovljenim (postselektovanim) eksperimentima, a ne prekršaj uzročnosti.