Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

In de kwantumwereld kunnen de regels van oorzaak en gevolg verrassend vloeibaar worden. Meestal denken we dat gebeurtenissen in een strikte sequentie plaatsvinden: eerst gebeurt het een, en dan het ander. Als je een schakelaar omzet, gaat er een lamp aan; als je tegen een bal duwt, rolt deze weg. Deze lineaire stroom is hoe ons dagelijs leven werkt, en dit is hoe de meeste kwantumeperimenten traditioneel zijn ontworpen. Echter, een concept dat bekend staat als onbepaalde causale orde daagt deze intuïtie uit. Het staat toe dat een situatie ontstaat waarin twee gebeurtenissen plaatsvinden, maar de vraag welke eerst plaatsvond geen definitief antwoord heeft. In plaats van een enkele tijdlijn, bestaat het systeem in een superpositie van beide mogelijke volgordes tegelijkertijd. Hoewel dit klinkt als een theoretische curiositeit, hebben onderzoekers ontdekt dat het benutten van deze ambiguïteit krachtige nieuwe instrumenten kan bieden voor het verwerken van informatie, wat potentieel problemen kan oplossen die onmogelijk zijn voor standaard systemen met een vaste volgorde.

Een team van natuurkundigen heeft dit concept nu uit de sfeer van lichtstralen gehaald en naar het domein van atomen en spiegels gebracht. In een nieuwe studie onderzochten zij hoe onbepaalde causale orde zich gedraagt binnen een caviteit-kwantumelektrodynamica-systeem. Dit is een opstelling waarbij een enkel atoom interageert met licht dat gevangen zit in twee afzonderlijke, identieke kamers. De onderzoekers wilden zien wat er zou gebeuren als ze het atoom door deze twee kamers zouden kunnen laten gaan in een superpositie van beide mogelijke volgordes: eerst door kamer A en dan B, en door kamer B en dan A, op hetzelfde moment. Door dit te doen, ontdekten zij dat deze vreemde ordening een krachtige verbinding kon creëren tussen het licht in de twee kamers, zelfs hoewel de lichtgolven elkaar nooit direct hadden geraakt.

Het experiment betreft een enkel atoom, dat fungeert als een boodschapper, en twee lege kamers gevuld met licht. Om de onbepaalde orde te creëren, gebruikten de onderzoekers een controlemechanisme, in feite een kwantumschakelaar, om het pad van het atoom te bepalen. Als de schakelaar in één staat staat, reist het atoom door de eerste kamer en vervolgens door de tweede. Als de schakelaar in de andere staat staat, is de volgorde omgekeerd. De doorbraak komt wanneer de schakelaar in een superpositie van beide staten wordt geplaatst. In deze conditie kiest het atoom niet voor één enkel pad; het reist door beide sequenties tegelijkertijd. De onderzoekers ontdekten dat wanneer het atoom na deze reis door twee paden terugkeert, de lichtvelden in de twee afzonderlijke kamers diep verbonden raken. Ze delen een kwantumverbinding die bekend staat als verstrengeling (entanglement), wat betekent dat de staat van het licht in de ene kamer direct gecorreleerd is met het licht in de andere kamer, ondanks het feit dat de lichtgolven in de twee kamers nooit met elkaar hebben geïnteracteerd.

Dit effect is bijzonder opmerkelijk omdat het vermogen om deze verstrengeling te creëren onafhankelijk is van of het atoom in een aangeslagen toestand of een grondtoestand begon, evenals van de tijd die het atoom nodig heeft om elke caviteit te passeren. De specifieke resulterende staat van het licht en de waarschijnlijkheid om deze te verkrijgen, zijn echter wel afhankelijk van de initiële condities van het atoom en de meetresultaten. Bovendien toonden de onderzoekers aan dat dit proces specifieke, hoog complexe patronen van licht kan genereren. Bijvoorbeeld, als de kamers helemaal geen licht bevatten, kan het proces een toestand creëren waarin een enkel foton in een superpositie bestaat van aanwezig zijn in de eerste kamer of de tweede kamer, maar nooit in beide of in geen van beide. Dit is een type toestand dat bekend staat als een NOON-toestand, wat waardevol is voor uiterst nauwkeurige metingen. Nog opmerkelijker is dat het team aantoonde dat het systeem een foton tussen de twee kamers kan wisselen zonder de toestand van het atoom zelf te veranderen. In een standaardopstelling waarbij het atoom in een vaste volgorde reist, is een dergelijke wisseling zonder de boodschapper te veranderen onmogelijk. De onbepaalde orde laat het atoom toe om als een brug te fungeren die het licht herrangschikt zonder een spoor van zijn eigen reis achter te laten.

De studie onthulde ook hoe deze onbepaalde orde het natuurlijke ritme van het systeem verstoort. In de standaard kwantumfysica vertoont een atoom, wanneer het interageert met licht, vaak een voorspelbare, golfachtige oscillatie in zijn energieniveaus, bekend als Rabi-oscillaties. De onderzoekers ontdekten dat wanneer de onbepaalde causale orde wordt geïntroduceerd, dit vloeiende, sinusoïdale ritme ofwel volledig verdwijnt of zijn regelmatige vorm geheel verliest. Het systeem gedraagt zich niet langer met de voorspelbare puls die in scenario's met een vaste volgorde wordt gezien. In plaats daarvan hangt de uitkomst af van de specifieke meting van de controleschakelaar, wat leidt tot een verscheidenheid aan mogelijke eindtoestanden voor het licht.

De implicaties van deze bevindingen suggereren een nieuwe manier om de interactie tussen materie en licht te beheersen. Door de volgorde van gebeurtenissen te manipuleren, kunnen wetenschappers verstrengelde toestanden creëren tussen afstandelijke systemen die anders gescheiden zouden blijven. De onderzoekers stellen voor dat dit fysiek gerealiseerd kan worden met behulp van een gevangen atoom dat langs een cirkelvormig pad beweegt, waarbij het golfpakket van het atoom wordt gesplitst en weer samengevoegd, waardoor het atoom effectief twee caviteiten kan bezoeken in een superpositie van volgordes. Hoewel het huidige werk een theoretisch onderzoek is gebaseerd op gevestigde modellen van licht-materie interactie, opent het een deur naar nieuwe mogelijkheden. Het suggereert dat door de ambiguïteit van "welke gebeurde eerst" te omarmen, we nieuwe mogelijkheden kunnen ontsluiten voor het beheersen van kwantumsystemen, het creëren van verstrengeling en het uitvoeren van taken die strikt verboden zijn in een wereld met een vaste oorzaak en gevolg.