Los físicos cuánticos están familiarizados con fenómenos extraños y aparentemente sin sentido: los átomos y las moléculas a veces actúan como partículas, a veces como ondas; las partículas pueden estar conectadas entre sí por una “acción fantasmal a distancia”, incluso a grandes distancias; y los objetos cuánticos pueden desprenderse de sus propiedades como el Gato de Cheshire de Las aventuras de Alicia en el país de las maravillas se desprende de su sonrisa. Ahora, los investigadores dirigidos por Daniela Angulo de la Universidad de Toronto han revelado otro extraño resultado cuántico: los fotones, partículas de luz en forma de onda , pueden pasar una cantidad negativa de tiempo atravesando una nube de átomos enfriados. En otras palabras, los fotones pueden parecer salir de un material antes de entrar en él.

“Tomó una cantidad de tiempo positiva , pero nuestro experimento que observa que los fotones pueden hacer que los átomos parezcan pasar una cantidad de tiempo *negativa* en el estado excitado ha terminado”, escribió Aephraim Steinberg, un físico de la Universidad de Toronto, en una publicación en X (anteriormente Twitter) sobre el nuevo estudio , que se subió al servidor de preimpresión arXiv.org el 5 de septiembre y aún no ha sido revisado por pares.

La idea de este trabajo surgió en 2017. En ese momento, Steinberg y un colega de laboratorio, el entonces estudiante de doctorado Josiah Sinclair, estaban interesados ​​en la interacción de la luz y la materia, específicamente en un fenómeno llamado excitación atómica : cuando los fotones pasan a través de un medio y son absorbidos, los electrones que giran alrededor de los átomos en ese medio saltan a niveles de energía más altos. Cuando estos electrones excitados vuelven a su estado original, liberan esa energía absorbida en forma de fotones reemitidos, lo que introduce un retraso temporal en el tiempo de tránsito observado de la luz a través del medio.

El equipo de Sinclair quería medir ese retraso temporal (que a veces se denomina técnicamente “retraso de grupo”) y averiguar si depende del destino de ese fotón: ¿se dispersó y absorbió dentro de la nube atómica o se transmitió sin interacción alguna? “En ese momento, no estábamos seguros de cuál era la respuesta, y pensábamos que una pregunta tan básica sobre algo tan fundamental debería ser fácil de responder”, dice Sinclair. “Pero cuanto más gente hablábamos, más nos dábamos cuenta de que, si bien todos tenían su propia intuición o suposición, no había un consenso entre los expertos sobre cuál sería la respuesta correcta”. Debido a que la naturaleza de estos retrasos puede ser tan extraña y contraintuitiva, algunos investigadores habían descartado el fenómeno como algo que, en efecto, carecía de sentido para describir cualquier propiedad física asociada con la luz.

Después de tres años de planificación, su equipo desarrolló un aparato para poner a prueba esta cuestión en el laboratorio. Sus experimentos implicaron disparar fotones a través de una nube de átomos de rubidio ultrafríos y medir el grado de excitación atómica resultante. Del experimento surgieron dos sorpresas : a veces los fotones pasaban intactos, pero los átomos de rubidio se excitaban de todos modos, y durante el mismo tiempo que si hubieran absorbido esos fotones. Más extraño aún, cuando los fotones eran absorbidos, parecían reemitirse casi instantáneamente, mucho antes de que los átomos de rubidio regresaran a su estado fundamental, como si los fotones, en promedio, abandonaran los átomos más rápido de lo esperado.

El equipo colaboró ​​luego con Howard Wiseman, físico teórico y cuántico de la Universidad Griffith de Australia, para idear una explicación. El marco teórico que surgió mostró que el tiempo que estos fotones transmitidos pasaban como excitación atómica coincidía perfectamente con el retraso de grupo esperado adquirido por la luz, incluso en casos en los que parecía que los fotones se volvían a emitir antes de que la excitación atómica hubiera disminuido.

Para entender este absurdo hallazgo, podemos pensar en los fotones como los objetos cuánticos difusos que son, en los que no se garantiza que la absorción y reemisión de un fotón determinado a través de una excitación atómica ocurra en un período de tiempo fijo determinado; más bien, tiene lugar a lo largo de un rango de valores temporales difusos y probabilísticos. Como demuestran los experimentos del equipo, estos valores pueden abarcar instancias en las que el tiempo de tránsito de un fotón individual es instantáneo o, curiosamente, cuando concluye antes de que haya cesado la excitación atómica, lo que da un valor negativo.

“Puedo asegurarles que nos sorprendió muchísimo esta predicción”, dice Sinclair, refiriéndose a la correspondencia entre el retardo de grupo y el tiempo que los fotones transmitidos pasaron como excitaciones atómicas. “Y tan pronto como estuvimos seguros de que no habíamos cometido un error, Steinberg y el resto del equipo (yo ya había pasado a hacer un posdoctorado en [el Instituto Tecnológico de Massachusetts]) comenzaron a planificar la realización de un experimento de seguimiento para probar esta loca predicción del tiempo de permanencia negativo y ver si la teoría se mantenía”.

Ese experimento posterior, el que dirigió Angulo y que Steinberg promocionó en X, se puede entender considerando las dos formas en que se puede transmitir un fotón. En una, el fotón usa una especie de anteojeras e ignora por completo al átomo, y se va sin siquiera saludarlo. En la otra, interactúa con el átomo, impulsándolo a un nivel de energía más alto, antes de volver a emitirse.

“Cuando se ve un fotón transmitido, no se puede saber cuál de estos ocurrió”, dice Steinberg, y agrega que debido a que los fotones son partículas cuánticas en el reino cuántico, los dos resultados pueden estar en superposición : ambas cosas pueden suceder al mismo tiempo. “El dispositivo de medición termina en una superposición de medición de cero y medición de algún pequeño valor positivo”. Pero, en consecuencia, señala Steinberg, eso también significa que a veces “el dispositivo de medición termina en un estado que no parece ‘cero’ más ‘algo positivo’, sino como ‘cero’ menos ‘algo positivo’, lo que resulta en lo que parece un signo incorrecto, un valor negativo, para este tiempo de excitación”.

Los resultados de las mediciones del experimento de Angulo y sus colegas sugieren que los fotones se desplazaban por el medio más rápidamente cuando excitaban los átomos que cuando estos permanecían en su estado fundamental. (Los fotones no comunican ninguna información, por lo que el resultado no contradice el límite de velocidad de “nada puede viajar más rápido que la luz” establecido por la teoría especial de la relatividad de Einstein ).

“Un retraso temporal negativo puede parecer paradójico, pero lo que significa es que si se construye un reloj ‘cuántico’ para medir cuánto tiempo pasan los átomos en el estado excitado, la manecilla del reloj, en determinadas circunstancias, se movería hacia atrás en lugar de hacia adelante”, dice Sinclair. En otras palabras, el tiempo en el que los fotones fueron absorbidos por los átomos es negativo.

Aunque el fenómeno es asombroso, no tiene impacto en nuestra comprensión del tiempo en sí, pero sí ilustra una vez más que el mundo cuántico aún tiene sorpresas guardadas.

“[Angulo] y el resto del equipo han logrado algo realmente impresionante y han producido un hermoso conjunto de mediciones. Sus resultados plantean preguntas interesantes sobre la historia de los fotones que viajan a través de medios absorbentes y requieren una reinterpretación del significado físico del retraso de grupo en la óptica”, afirma Sinclair.