Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

In der Quantenwelt können die Regeln von Ursache und Wirkung überraschend fließend werden. Normalerweise denken wir, dass Ereignisse in einer strikten Sequenz ablaufen: Erst geschieht das eine, dann das andere. Wenn man einen Schalter umlegt, geht ein Licht an; wenn man einen Ball stößt, rollt er. Dieser lineare Fluss ist die Art und Weise, wie unser tägliches Leben funktioniert, und so sind auch die meisten Quantenexperimente traditionell konzipiert. Ein Konzept namens unbestimmte kausale Ordnung (indefinite causal order) stellt jedoch diese Intuition infrage. Es ermöglicht eine Situation, in der zwei Ereignisse stattfinden, aber die Frage, welches zuerst geschah, keine eindeutige Antwort hat. Anstatt eines einzelnen Zeitstrahls existiert das System in einer Superposition beider möglicher Ordnungen gleichzeitig. Während dies wie eine theoretische Kuriosität klingt, haben Forscher herausgefunden, dass die Nutzung dieser Mehrdeutigkeit leistungsstarke neue Werkzeuge für die Informationsverarbeitung bieten kann, die potenziell Probleme lösen, die für standardmäßige Systeme mit fester Reihenfolge unmöglich sind.

Ein Team von Physikern hat dieses Konzept nun aus dem Bereich der Lichtstrahlen in den Bereich von Atomen und Spiegeln übertragen. In einer neuen Studie untersuchten sie, wie sich die unbestimmte kausale Ordnung innerhalb eines Cavity-Quantenelektrodynamik-Systems verhält. Dies ist ein Aufbau, bei dem ein einzelnes Atom mit Licht interagiert, das in zwei separaten, identischen Kammern gefangen ist. Die Forscher wollten sehen, was passieren würde, wenn sie das Atom in einer Superposition beider möglicher Ordnungen durch diese zwei Kammern wandern ließen: erst durch Kammer A und dann durch B, sowie erst durch Kammer B und dann durch A, zur gleichen Zeit. Auf diese Weise entdeckten sie, dass diese seltsame Ordnung eine kraftvolle Verbindung zwischen dem Licht in den beiden Kammern erzeugen kann, obwohl die Lichtwellen sich nie direkt berührt haben.

Das Experiment beinhaltet ein einzelnes Atom, das als Bote fungiert, und zwei leere Räume, die mit Licht gefüllt sind. Um die unbestimmte Ordnung zu erzeugen, nutzten die Forscher einen Steuerungsmechanismus, im Wesentlichen einen Quantenschalter, um den Pfad des Atoms zu entscheiden. Wenn der Schalter auf einen Zustand eingestellt ist, reist das Atom durch die erste Kammer und dann durch die zweite. Wenn der Schalter auf den anderen Zustand eingestellt ist, wird die Reihenfolge umgekehrt. Der Durchbruch liegt darin, dass der Schalter in einer Superposition beider Zustände versetzt wird. In diesem Zustand wählt das Atom nicht einen einzigen Pfad; es reist gleichzeitig durch beide Sequenzen. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn das Atom nach dieser Reise durch zwei Pfade hervorkommt, die Lichtfelder in den zwei separaten Kammern tief miteinander verknüpft sind. Sie teilen eine Quantenverbindung, die als Verschränkung bekannt ist, was bedeutet, dass der Zustand des Lichts in einer Kammer instantan mit dem Licht in der anderen Kammer korreliert ist, obwohl die Lichtwellen in den beiden Kammern niemals miteinander interagiert haben.

Dieser Effekt ist besonders bemerkenswert, da die Fähigkeit, diese Verschränkung zu erzeugen, unabhängig davon ist, ob das Atom in einem angeregten Zustand oder einem Grundzustand startete sowie von der Zeit abhängt, die das Atom für den Transit durch jede Kavität benötigt. Dennoch hängen der spezifische resultierende Zustand des Lichts und die Wahrscheinlichkeit, diesen zu erhalten, von den Anfangsbedingungen des Atoms und den Messergebnissen ab. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass dieser Prozess spezifische, hochkomplexe Lichtmuster erzeugen kann. Wenn die Kammern beispielsweise mit gar keinem Licht starten, kann der Prozess einen Zustand erzeugen, in dem ein einzelnes Photon in einer Superposition existiert, entweder in der ersten oder in der zweiten Kammer zu sein, aber niemals in beiden oder in keiner. Dies ist ein Zustand, der als NOON-Zustand bekannt ist und für ultrapräzise Messungen wertvoll ist. Noch erstaunlicher war, dass das Team demonstrierte, dass das System ein Photon zwischen den beiden Kammern austauschen kann, ohne den Zustand des Atoms selbst zu verändern. In einem Standardaufbau, in dem das Atom in einer festen Reihenfolge reist, ist ein solcher Austausch ohne Veränderung des Boten unmöglich. Die unbestimmte Ordnung ermöglicht es dem Atom, als Brücke zu fungieren, die das Licht umordnet, ohne eine Spur seiner eigenen Reise zu hinterlassen.

Die Studie enthüllte auch, wie diese unbestimmte Ordnung den natürlichen Rhythmus des Systems stört. In der Standardquantenphysik zeigt ein Atom, wenn es mit Licht interagiert, oft eine vorhersehbare, wellenartige Oszillation seiner Energieniveaus, bekannt als Rabi-Oszillation. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn die unbestimmte kausale Ordnung eingeführt wird, dieser glatte, sinusförmige Rhythmus entweder vollständig verschwindet oder seine regelmäßige Form ganz verliert. Das System verhält sich nicht mehr mit dem vorhersehbaren Puls, der in Szenarien mit fester Reihenfolge zu beobachten ist. Stattdessen hängt das Ergebnis von der spezifischen Messung des Steuerschalters ab, was zu einer Vielzahl möglicher Endzustände des Lichts führt.

Die Implikationen dieser Erkenntnisse deuten auf einen neuen Weg hin, die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht zu kontrollieren. Durch die Manipulation der Reihenfolge von Ereignissen können Wissenschaftler verschränkte Zustände zwischen entfernten Systemen erzeugen, die andernfalls getrennt blieben. Die Forscher schlagen vor, dass dies physikalisch durch ein gefangenes Atom realisiert werden könnte, das sich auf einem kreisförmigen Pfad bewegt, wobei das Wellenpaket des Atoms aufgespalten und wieder vereint wird, was es dem Atom effektiv ermöglicht, zwei Kavitäten in einer Superposition von Ordnungen zu besuchen. Obwohl die vorliegende Arbeit eine theoretische Untersuchung auf der Grundlage etablierter Modelle der Licht-Materie-Wechselwirkung ist, öffnet sie die Tür zu neuen Möglichkeiten. Sie legt nahe, dass wir, indem wir die Mehrdeutigkeit von „was geschah zuerst“ akzeptieren, neue Fähigkeiten zur Kontrolle von Quantensystemen, zur Erzeugung von Verschränkung und zur Durchführung von Aufgaben freisetzen können, die in einer Welt mit fester Ursache und Wirkung streng verboten sind.