Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

Dans le monde quantique, les règles de la cause et de l'effet peuvent devenir étonnamment fluides. Habituellement, nous pensons que les événements se produisent selon une séquence stricte : d'abord une chose se produit, puis une autre. Si vous actionnez un interrupteur, une lumière s'allume ; si vous poussez une balle, elle roule. Ce flux linéaire est la manière dont nos vies quotidiennes fonctionnent, et c'est ainsi que la plupart des expériences quantiques sont traditionnellement conçues. Cependant, un concept connu sous le nom d'ordre causal indéfini défie cette intuition. Il permet une situation où deux événements se produisent, mais la question de savoir lequel s'est produit en premier n'a pas de réponse définie. Au lieu d'une chronologie unique, le système existe dans une superposition des deux ordres possibles simultanément. Bien que cela ressemble à une curiosité théorique, les chercheurs ont découvert que l'exploitation de cette ambiguïté peut offrir de nouveaux outils puissants pour traiter l'information, résolvant potentiellement des problèmes impossibles pour les systèmes standards à ordre fixe.

Une équipe de physiciens a maintenant transposé ce concept du domaine des faisceaux lumineux vers celui des atomes et des miroirs. Dans une nouvelle étude, ils ont exploré comment l'ordre causal indéfini se comporte au sein d'un système de cavité d'électrodynamique quantique. Il s'agit d'une configuration où un atome unique interagit avec la lumière piégée à l'intérieur de deux chambres distinctes et identiques. Les chercheurs voulaient voir ce qui se passerait s'ils pouvaient faire passer l'atome à travers ces deux chambres dans une superposition des deux ordres possibles : passer par la chambre A puis la B, et par la chambre B puis la A, en même temps. Ce faisant, ils ont découvert que cet étrange ordonnancement pouvait créer un lien puissant entre la lumière dans les deux chambres, même si les ondes lumineuses ne se sont jamais touchées directement.

L'expérience implique un atome unique, qui agit comme un messager, et deux pièces vides remplies de lumière. Pour créer l'ordre indéfini, les chercheurs ont utilisé un mécanisme de contrôle, essentiellement un commutateur quantique, pour décider du chemin de l'atome. Si le commutateur est réglé sur un état, l'atome voyage à travers la première chambre puis la seconde. S'il est réglé sur l'autre état, l'ordre est inversé. La percée survient lorsque le commutateur est placé dans une superposition des deux états. Dans cette condition, l'atome ne choisit pas un chemin unique ; il voyage à travers les deux séquences simultanément. Les chercheurs ont découvert que lorsque l'atome émerge de ce voyage à double voie, les champs lumineux à l'intérieur des deux chambres séparées deviennent profondément liés. Ils partagent une connexion quantique appelée intrication, ce qui signifie que l'état de la lumière dans une chambre est instantanément corrélé avec la lumière dans l'autre, malgré le fait que les ondes lumineuses dans les deux chambres n'aient jamais interagi entre elles.

Cet effet est particulièrement frappant car la capacité de créer cette intrication est indépendante du fait que l'atome ait commencé dans un état excité ou un état fondamental, ainsi que du temps nécessaire à l'atome pour transiter chaque cavité. Cependant, l'état résultant spécifique de la lumière et la probabilité de l'obtenir dépendent des conditions initiales de l'atome et des résultats de mesure. De plus, les chercheurs ont démontré que ce processus peut générer des motifs de lumière spécifiques et hautement complexes. Par exemple, si les chambres ne contiennent aucune lumière au départ, le processus peut créer un état où un photon unique existe dans une superposition d'être dans la première chambre ou dans la seconde, mais jamais dans les deux ou dans aucune des deux. C'est un type d'état appelé état NOON, qui est précieux pour les mesures ultra-précises. Plus remarquablement encore, l'équipe a démontré que le système pouvait transférer un photon entre les deux chambres sans changer l'état de l'atome lui-même. Dans une configuration standard où l'atome voyage selon un ordre fixe, un tel transfert sans altérer le messager est impossible. L'ordre indéfini permet à l'atome d'agir comme un pont qui réorganise la lumière sans laisser de trace de son propre voyage.

L'étude a également révélé comment cet ordre indéfini perturbe le rythme naturel du système. En physique quantique standard, lorsqu'un atôme interagit avec la lumière, il présente souvent une oscillation ondulatoire prévisible de ses niveaux d'énergie, connue sous le nom d'oscillations de Rabi. Les chercheurs ont constaté que lorsque l'ordre causal indéfini est introduit, ce rythme sinusoïdal régulier disparaît complètement ou perd totalement sa forme régulière. Le système ne se comporte plus avec l'impulsion prévisible observée dans les scénarios à ordre fixe. Au lieu de cela, le résultat dépend de la mesure spécifique du commutateur de contrôle, menant à une variété de états finaux possibles pour la lumière.

Les implications de ces découvertes suggèrent une nouvelle façon de contrôler l'interaction entre la matière et la lumière. En manipulant l'ordre des événements, les scientifiques peuvent créer des états intriqués entre des systèmes distants qui resteraient autrement séparés. Les chercheurs proposent que cela pourrait être réalisé physiquement en utilisant un atome piégé se déplaçant le long d'un chemin circulaire, où le paquet d'ondes de l'atome est divisé et recombiné, permettant de fait à l'atome de visiter deux cavités dans une superposition d'ordres. Bien que ce travail actuel soit une investigation théorique basée sur des modèles établis d'interaction lumière-matière, il ouvre la porte à de nouvelles possibilités. Il suggère qu'en embrassant l'ambiguïté du « lequel est arrivé en premier », nous pouvons débloquer de nouvelles capacités pour contrôler les systèmes quantiques, créer de l'intrication et accomplir des tâches qui sont strictement interdites dans un monde d'effets et de causes fixes.