Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

No mundo quântico, as regras de causa e efeito podem se tornar surpreendentemente fluidas. Normalmente, pensamos em eventos ocorrendo em uma sequência estrita: primeiro ocorre uma coisa, depois outra. Se você aperta um interruptor, uma luz acende; se você empurra uma bola, ela rola. Esse fluxo linear é como nossas vidas diárias funcionam, e é como a maioria dos experimentos quânticos é tradicionalmente projetada. No entanto, um conceito conhecido como ordem causal indefinida desafia essa intuição. Ele permite uma situação em que dois eventos acontecem, mas a questão de qual deles ocorreu primeiro não tem uma resposta definitiva. Em vez de uma única linha do tempo, o sistema existe em uma superposição de ambas as ordens simultaneamente. Embora isso pareça uma curiosidade teórica, pesquisadores descobriram que aproveitar essa ambiguidade pode oferecer novas e poderosas ferramentas para o processamento de informações, potencialmente resolvendo problemas que são impossíveis para sistemas padrão de ordem fixa.

Uma equipe de físicos agora levou esse conceito para fora do domínio dos feixes de luz e o introduziu no domínio de átomos e espelhos. Em um novo estudo, eles exploraram como a ordem causal indefinida se comporta dentro de um sistema de eletrodinâmica quântica de cavidade. Trata-se de uma configuração onde um único átomo interage com a luz aprisionada em duas câmaras distintas e idênticas. Os pesquisadores queriam ver o que aconteceria se pudessem fazer o átomo passar por essas duas câmaras em uma superposição de ambas as ordens possíveis: passando pela câmara A e depois pela B, e pela câmara B e depois pela A, ao mesmo tempo. Ao fazer isso, eles descobriram que essa estranha ordenação poderia criar uma conexão poderosa entre a luz nas duas câmaras, mesmo que as ondas de luz nunca tenham se tocado diretamente.

O experimento envolve um único átomo, que atua como um mensageiro, e dois quartos vazios preenchidos com luz. Para criar a ordem indefinida, os pesquisadores usaram um mecanismo de controle, essencialmente um interruptor quântico, para decidir o caminho do átomo. Se o interruptor for definido em um estado, o átomo viaja pela primeira câmara e depois pela segunda. Se for definido no outro estado, a ordem é invertida. O avanço ocorre quando o interruptor é colocado em uma superposição de ambos os estados. Sob essa condição, o átomo não escolhe um único caminho; ele viaja por ambas as sequências simultaneamente. Os pesquisadores descobriram que, quando o átomo emerge dessa jornada de caminho duplo, os campos de luz dentro das duas câmaras separadas tornam-se profundamente ligados. Eles compartilham uma conexão quântica conhecida como emaranhamento, o que significa que o estado da luz em uma câmara está instantaneamente correlacionado com a luz na outra, apesar do fato de as ondas de luz nas duas câmaras nunca terem interagido entre si.

Este efeito é particularmente impressionante porque a capacidade de criar esse emaranhamento é independente de o átomo ter começado em um estado excitado ou em um estado fundamental, bem como do tempo que o átomo leva para transitar por cada cavidade. No entanto, o estado resultante específico da luz e a probabilidade de obtê-lo dependem das condições iniciais do átomo e dos resultados das medições. Além disso, os pesquisadores mostraram que este processo pode gerar padrões de luz específicos e altamente complexos. Por exemplo, se as câmaras começarem sem luz nenhuma, o processo pode criar um estado onde um único fóton existe em uma superposição de estar na primeira câmara ou na segunda, mas nunca em ambas ou em nenhuma. Este é um tipo de estado conhecido como estado NOON, que é valioso para medições de ultraprecisão. Mais notavelmente, a equipe demonstrou que o sistema poderia trocar um fóton entre as duas câmaras sem alterar o estado do próprio átomo. Em uma configuração padrão, onde o átomo viaja em uma ordem fixa, tal troca sem alterar o mensageiro é impossível. A ordem indefinida permite que o átomo atue como uma ponte que rearranja a luz sem deixar um rastro de sua própria jornada.

O estudo também revelou como essa ordem indefinida interrompe o ritmo natural do sistema. Na física quântica padrão, quando um átomo interage com a luz, ele frequentemente exibe uma oscilação ondulatória previsível em seus níveis de energia, conhecida como oscilações de Rabi. Os pesquisadores descobriram que, quando a ordem causal indefinida é introduzida, esse ritmo senoidal suave ou desaparece completamente ou perde totalmente sua forma regular. O sistema não se comporta mais com o pulso previsível visto em cenários de ordem fixa. Em vez disso, o resultado depende da medição específica do interruptor de controle, levando a uma variedade de estados finais possíveis para a luz.

As implicações dessas descobertas sugerem uma nova maneira de controlar a interação entre matéria e luz. Ao manipular a ordem dos eventos, os cientistas podem criar estados emaranhados entre sistemas distantes que, de outra forma, permaneceriam separados. Os pesquisadores propõem que isso poderia ser realizado fisicamente usando um átomo aprisionado movendo-se ao longo de um caminho circular, onde o pacote de ondas do átomo é dividido e recombinado, permitindo efetivamente que ele visite duas cavidades em uma superposição de ordens. Embora este trabalho atual seja uma investigação teórica baseada em modelos estabelecidos de interação luz-matéria, ele abre as portas para novas possibilidades. Sugere que, ao abraçar a ambiguidade de "qual aconteceu primeiro", podemos desbloquear novas capacidades para controlar sistemas quânticos, criar emaranhamento e realizar tarefas que são estritamente proibidas em um mundo de causa e efeito fixos.