Expérience quantique mesurant un délai temporel apparemment négatif pour des photons

Cette découverte, détaillée dans un article préliminaire soumis à un examen par les pairs et rapportée par The Independent, présente une énigme fascinante concernant le concept de temps dans les interactions quantiques, plutôt que de suggérer que le temps lui-même s'écoule à l'envers.

Détails de l'expérience quantique

Des chercheurs, y compris ceux du Trinity College affilié à l'Université de Toronto, ont dirigé des photons à travers un nuage d'atomes de rubidium ultra-froids pour étudier le processus d'excitation atomique. Typiquement, lorsque des photons interagissent avec des atomes dans un tel milieu, un délai temporel (souvent caractérisé par le "délai de groupe" ou le "temps de séjour") est observé – les photons mettent un court laps de temps à traverser le nuage en raison des interactions. Cependant, après avoir méticuleusement étudié le comportement des photons pendant sept ans, l'équipe a rencontré des résultats extraordinaires dans certaines conditions expérimentales :

• Certains photons ont été détectés sortant du nuage associés à un temps d'interaction calculé qui était négatif – plus précisément, un "temps de séjour" négatif allant jusqu'à -0,47 milliseconde a été rapporté dans leur prépublication.
• Cette valeur négative est apparue parce que le pic du paquet d'ondes photoniques est apparu à la sortie plus tôt que ce à quoi on s'attendrait en se basant sur la vitesse de la lumière dans le vide et la longueur du nuage, créant l'illusion qu'ils sont partis avant d'avoir fini d'interagir.
• Cette observation remet fondamentalement en question la façon dont nous interprétons les temps d'interaction dérivés des mesures quantiques et soulève des questions intrigantes sur la nature des mesures temporelles à l'échelle quantique.

Le comportement inattendu des photons

Le comportement inhabituel des photons observé dans l'expérience pointe vers des phénomènes distincts des simples interactions classiques. Les observations clés comprenaient :

• Le calcul donnant des temps d'interaction négatifs, suggérant que les photons ont effectivement "sauté en avant" dans le temps par rapport au délai attendu.
• Des cas où les atomes sont devenus excités même lorsque le photon transmis semblait ne pas avoir interagi de manière significative (un phénomène quantique connu lié aux concepts de mesure sans interaction).
• Des photons étant absorbés puis réémis presque instantanément dans des conditions conduisant à l'effet de délai négatif.

Le physicien théoricien Howard Wiseman (Université Griffith, non directement impliqué mais commentant des concepts connexes) suggère que de tels phénomènes découlent souvent de la nature probabiliste de la mécanique quantique. L'absorption et l'émission de photons suivent des modèles probabilistes. Dans certains scénarios quantiques, en particulier ceux impliquant l'interférence et la superposition, le résultat moyen ou le plus probable d'une mesure peut donner des résultats contre-intuitifs, comme un délai temporel négatif apparent. L'article de Toronto suggère que le principe de superposition quantique est essentiel : les particules peuvent exister dans plusieurs états simultanément, expérimentant différents résultats potentiels. Surtout, ils proposent que même l'appareil de mesure lui-même puisse entrer en superposition, enregistrant simultanément différentes possibilités d'interaction. Ce flou quantique, lorsque des mesures sont effectuées et moyennées, peut se manifester par une valeur négative pour le temps d'interaction calculé, soulignant la nature contre-intuitive de la mesure quantique.

Interprétation du "délai temporel négatif"

Bien que le concept de "délai temporel négatif" ou de "temps de séjour négatif" remette en question notre intuition quotidienne, il n'implique absolument pas que le temps lui-même s'écoule à l'envers ou que la causalité est violée (permettant l'effet avant la cause). Au lieu de cela, il met en lumière la nature particulière des mesures quantiques et de leurs résultats probabilistes lors de la définition des durées d'interaction.

Le délai négatif suggère qu'une hypothétique "horloge quantique", conçue pour mesurer la durée en se basant, par exemple, sur le processus d'excitation de l'atome, pourrait apparaître comme fonctionnant à l'envers dans ces conditions spécifiques d'interférence quantique. Cet effet découle de la nature probabiliste des interactions quantiques où les photons et les atomes existent dans des superpositions. Les valeurs négatives mesurées sont une conséquence de la façon dont le temps d'interaction est défini et mesuré dans ce contexte quantique, impliquant l'interférence entre différentes amplitudes de probabilité, plutôt qu'un renversement fondamental de la flèche du temps.

Ces résultats soulignent les limites de l'application directe des concepts classiques de durée temporelle aux systèmes quantiques. Ils suggèrent que de nouveaux cadres ou des interprétations affinées pourraient être nécessaires pour saisir pleinement le comportement temporel au niveau quantique, en particulier lorsqu'il s'agit de remodelage de paquets d'ondes et d'interférence.

Bien que ces découvertes ne changent pas notre perception macroscopique du temps qui s'écoule vers l'avant, elles ouvrent de nouvelles voies pour étudier la nature du temps en mécanique quantique et pourraient conduire à des interprétations affinées des expériences d'optique quantique et potentiellement à de nouvelles techniques de mesure quantique.

État de la recherche et réactions de la communauté scientifique

L'étude décrivant ce phénomène quantique, intitulée "Experimental evidence that a photon can spend negative time in an atomic cloud" (Preuve expérimentale qu'un photon peut passer un temps négatif dans un nuage atomique), est actuellement en cours d'examen par les pairs (disponible en prépublication sur arXiv). Malgré son statut préliminaire, la recherche a suscité un intérêt et une surprise significatifs au sein de la communauté scientifique.

Aephraim Steinberg, physicien quantique expérimental à l'Université de Toronto et auteur principal de l'article, a partagé sur les médias sociaux que les résultats pourraient sembler "fous" à première vue. Josiah Sinclair, un autre chercheur impliqué, a exprimé que l'équipe était "totalement surprise" par ses découvertes. La réaction de la communauté scientifique est une intrigue prudente, reconnaissant la nécessité d'un examen rigoureux par les pairs et d'une reproduction indépendante pour confirmer des affirmations aussi extraordinaires et comprendre pleinement leurs implications.

Bien que la découverte soit fascinante, les experts soulignent que ces résultats concernent les subtilités de la mesure quantique et de la dynamique des paquets d'ondes. Ils ne renversent pas notre compréhension fondamentale du temps macroscopique, mais soulignent la nécessité d'une interprétation prudente lorsque l'on discute des concepts temporels dans le domaine quantique.