Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

En el mundo cuántico, las reglas de la causa y el efecto pueden volverse sorprendentemente fluidas. Usualmente, pensamos en eventos que ocurren en una secuencia estricta: primero ocurre una cosa, luego otra. Si accionas un interruptor, una luz se enciende; si empujas una pelota, esta rueda. Este flujo lineal es como funcionan nuestras vidas diarias, y es como se diseñan la mayoría de los experimentos cuánticos de forma tradicional. Sin embargo, un concepto conocido como orden causal indefinido desafía esta intuición. Permite una situación en la que dos eventos suceden, pero la pregunta de cuál ocurrió primero no tiene una respuesta definida. En lugar de una única línea temporal, el sistema existe en una superposición de ambos órdenes simultáneamente. Aunque esto suena como una curiosidad teórica, los investigadores han descubierto que aprovechar esta ambigüedad puede ofrecer nuevas y poderosas herramientas para procesar información, resolviendo potencialmente problemas que son imposibles para los sistemas estándar de orden fijo.

Un equipo de físicos ha llevado ahora este concepto fuera del reino de los haces de luz y hacia el dominio de los átomos y los espejos. En un nuevo estudio, exploraron cómo se comporta el orden causal indefinido dentro de un sistema de electrodinámica cuántica de cavidad. Se trata de una configuración donde un único átomo interactúa con la luz atrapada dentro de dos cámaras separadas e idénticas. Los investigadores querían ver qué sucedería si pudieran hacer que el átomo pasara por estas dos cámaras en una superposición de ambos órdenes posibles: pasar por la cámara A y luego por la B, y pasar por la cámara B y luego por la A, al mismo tiempo. Al hacer esto, descubrieron que este extraño orden podría crear una poderosa conexión entre la luz de las dos cámaras, a pesar de que las ondas de luz nunca se tocaron directamente.

El experimento involucra a un solo átomo, que actúa como mensajero, y dos habitaciones vacías llenas de luz. Para crear el orden indefinido, los investigadores utilizaron un mecanismo de control, esencialmente un interruptor cuántico, para decidir la trayectoria del átomo. Si el interruptor se establece en un estado, el átomo viaja a través de la primera cámara y luego de la segunda. Si se establece en el otro estado, el orden se invierte. El avance surge cuando el interruptor se coloca en una superposición de ambos estados. En esta condición, el átomo no elige un único camino; viaja a través de ambas secuencias simultáneamente. Los investigadores descubrieron que, cuando el átomo emerge de este viaje de doble trayectoria, los campos de luz dentro de las dos cámaras separadas quedan profundamente vinculados. Comparten una conexión cuántica conocida como entrelazamiento, lo que significa que el estado de la luz en una cámara está instantáneamente correlacionado con la luz en la otra, a pesar de que las ondas de luz en las dos cámaras nunca interactuaron entre sí.

Este efecto es particularmente sorprendente porque la capacidad de crear este entrelazamiento es independiente de si el átomo comenzó en un estado excitado o en un estado fundamental, así como del tiempo que el átomo tarda en transitar cada cavidad. Sin embargo, el estado resultante específico de la luz y la probabilidad de obtenerlo sí dependen de las condiciones iniciales del átomo y de los resultados de las mediciones. Además, los investigadores demostraron que este proceso puede generar patrones de luz específicos y altamente complejos. Por ejemplo, si las cámaras comienzan sin nada de luz, el proceso puede crear un estado donde un solo fotón existe en una superposición de estar en la primera cámara o en la segunda, pero nunca en ambas ni en ninguna de las dos. Este es un tipo de estado conocido como estado NOON, el cual es valioso para mediciones de ultraprecisión. Aún más notablemente, el equipo demostó que el sistema podía intercambiar un fotón entre las dos cámaras sin cambiar el estado del propio átomo. En una configuración estándar donde el átomo viaja en un orden fijo, tal intercambio sin alterar al mensajero es imposible. El orden indefinido permite que el átomo actúe como un puente que reorganiza la luz sin dejar rastro de su propio viaje.

El estudio también reveló cómo este orden indefinido interrumpe el ritmo natural del sistema. En la física cuántica estándar, cuando un átomo interactúa con la luz, a menudo exhibe una oscilación ondulatoria predecible en sus niveles de energía, conocida como oscilaciones de Rabi. Los investigadores encontraron que, cuando se introduce el orden causal indefinido, este ritmo sinusoidal suave y predecible desaparece por completo o pierde su forma regular totalmente. El sistema ya no se comporta con el pulso predecible visto en los escenarios de orden fijo. En su lugar, el resultado depende de la medición específica del interruptor de control, lo que conduce a una variedad de posibles estados finales para la luz.

Las implicaciones de estos hallazgos sugieren una nueva forma de controlar la interacción entre la materia y la luz. Al manipular el orden de los eventos, los científicos pueden crear estados entrelazados entre sistemas distantes que de otro modo permanecerían separados. Los investigadores proponen que esto podría realizarse físicamente utilizando un átomo atrapado que se mueve a lo largo de una trayectoria circular, donde el paquete de ondas del átomo se divide y se recombina, permitiéndole efectivamente visitar dos cavidades en una superposición de órdenes. Si bien este trabajo actual es una investigación teórica basada en modelos establecidos de interacción luz-materia, abre la puerta a nuevas posibilidades. Sugiere que, al abrazar la ambigüedad de "cuál ocurrió primero", podemos desbloquear nuevas capacidades para controlar sistemas cuánticos, crear entrelazamiento y realizar tareas que están estrictamente prohibidas en un mundo de causa y efecto fijos.