Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

Nel mondo quantistico, le regole di causa ed effetto possono diventare sorprendentemente fluide. Di solito, pensiamo agli eventi come accadenti in una sequenza rigorosa: prima accade una cosa, poi un'altra. Se si preme un interruttore, una luce si accende; se si spinge una palla, questa rotola. Questo flusso lineare è il modo in cui funzionano le nostre vite quotidiane, ed è il modo in cui la maggior parte degli esperimenti quantistici è tradizionalmente progettata. Tuttavia, un concetto noto come ordine causale indefinito sfida questa intuizione. Esso permette una situazione in cui due eventi accadono, ma la questione di quale sia avvenuto per primo non ha una risposta definita. Invece di una singola linea temporale, il sistema esiste in una sovrapposizione di entrambi i possibili ordini simultaneamente. Sebbene ciò possa sembrare una curiosità teorica, i ricercatori hanno scoperto che sfruttare questa ambiguità può offrire nuovi e potenti strumenti per l'elaborazione delle informazioni, risolvendo potenzialmente problemi impossibili per i sistemi standard a ordine fisso.

Un team di fisici ha ora portato questo concetto dal regno dei fasci di luce al dominio di atomi e specchi. In un nuovo studio, hanno esplorato come l'ordine causale indefinito si comporti all'interno di un sistema di elettrodinamica quantistica in cavità. Si tratta di una configurazione in cui un singolo atomo interagisce con la luce intrappolata in due camere separate e identiche. I ricercatori volevano vedere cosa sarebbe successo se potessero far passare l'atomo attraverso queste due camere in una sovrapposizione di entrambi i possibili ordini: passare attraverso la camera A e poi la B, e passare attraverso la camera B e poi la A, contemporaneamente. Facendo ciò, hanno scoperto che questo strano ordinamento poteva creare una potente connessione tra la luce nelle due camere, anche se le onde luminose non si sono mai toccate direttamente.

L'esperimento coinvolge un singolo atomo, che funge da messaggero, e due stanze vuote piene di luce. Per creare l'ordine indefinito, i ricercatori hanno utilizzato un meccanismo di controllo, essenzialmente uno switch quantistico, per decidere il percorso dell'atomo. Se lo switch è impostato su uno stato, l'atomo viaggia attraverso la prima camera e poi la seconda. Se è impostato sull'altro stato, l'ordine è invertito. La svolta avviene quando lo switch viene posto in una sovrapposizione di entrambi gli stati. In questa condizione, l'atomo non sceglie un singolo percorso; viaggia attraverso entrambe le sequenze simultaneamente. I ricercatori hanno scoperto che, quando l'atomo emerge da questo viaggio a doppio percorso, i campi luminosi all'interno delle due camere separate diventano profondamente legati. Essi condividono una connessione quantistica nota come entanglement, il che significa che lo stato della luce in una camera è istantaneamente correlato con la luce nell'altra, nonostante le onde luminose nelle due camere non abbiano mai interagito tra loro.

Questo effetto è particolarmente sorprendente perché la capacità di creare questo entanglement è indipendente dal fatto che l'atomo sia partito da uno stato eccitato o da uno stato fondamentale, così come dal tempo necessario all'atomo per transitare in ogni cavità. Tuttavia, lo stato specifico risultante della luce e la probabilità di ottenerlo dipendono dalle condizioni iniziali dell'atomo e dagli esiti delle misurazioni. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che questo processo può generare schemi di luce specifici e altamente complessi. Ad esempio, se le camere partono senza alcuna luce, il processo può creare uno stato in cui un singolo fotone esiste in una sovrapposizione di essere nella prima camera o nella seconda, ma mai in entrambe o in nessuna delle due. Questo è un tipo di stato noto come stato NOON, che è prezioso per misurazioni ultra-precise. Ancora più straordinario, il team ha dimostrato che il sistema può scambiare un fotone tra le due camere senza cambiare lo stato dell'atomo stesso. In una configurazione standard in cui l'atomo viaggia in un ordine fisso, tale scambio senza alterare il messaggero è impossibile. L'ordine indefinito permette all'atomo di agire come un ponte che riorganizza la luce senza lasciare traccia del proprio viaggio.

Lo studio ha anche rivelato come questo ordine indefinito interrompa il ritmo naturale del sistema. Nella fisica quantistica standard, quando un atomo interagisce con la luce, spesso presenta un'oscillazione ondulatoria prevedibile nei suoi livelli di energia, nota come oscillazioni di Rabi. I ricercatori hanno scoperto che, quando viene introdotto l'ordine causale indefinito, questo ritmo sinusoidale regolare svanisce completamente o perde del tutto la sua forma regolare. Il sistema non si comporta più con l'impulso prevedibile visto negli scenari a ordine fisso. Invece, il risultato dipende dalla specifica misurazione dello switch di controllo, portando a una varietà di possibili stati finali per la luce.

Le implicazioni di queste scoperte suggeriscono un nuovo modo per controllare l'interazione tra materia e luce. Manipolando l'ordine degli eventi, gli scienziati possono creare stati entangled tra sistemi distanti che altrimenti rimarrebbero separati. I ricercatori propongono che ciò potrebbe essere realizzato fisicamente utilizzando un atomo intrappolato che si muove lungo un percorso circolare, dove il pacchetto d'onda dell'atomo viene diviso e ricombinato, permettendogli efficacementmente di visitare due cavità in una sovrapposizione di ordini. Sebbene questo lavoro attuale sia un'indagine teorica basata su modelli stabiliti di interazione luce-materia, esso apre la porta a nuove possibilità. Suggerisce che, abbracciando l'ambiguità di "quale sia avvenuto prima", possiamo sbloccare nuove capacità per controllare i sistemi quantistici, creare entanglement e svolgere compiti che sono strettamente proibiti in un mondo di causa ed effetto fissi.