Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

在量子世界中，因果关系的规则可能会变得出奇地具有流动性。通常，我们认为事件是按照严格的序列发生的：先发生一件事，然后发生另一件事。如果你拨动开关，灯就会亮起；如果你推动一个球，它就会滚动。这种线性流向是我们日常生活的运作方式，也是大多数传统量子实验的设计方式。然而，一种被称为“不定序因果关系”（indefinite causal order）的概念挑战了这一直觉。它允许这样一种情况：两个事件发生了，但关于哪一个先发生的结论并没有确定的答案。相反，系统存在于两种可能顺序的叠加态中。虽然这听起来像是一个理论上的奇闻轶事，但研究人员发现，利用这种模糊性可以提供强大的新工具来处理信息，从而潜在地解决那些对于标准、固定顺序系统而言无法解决的问题。

一组物理学家现在将这一概念从光束领域带入了原子与镜子的领域。在一项新的研究中，他们探索了不定序因果关系在腔量子电动力学系统中的行为。这是一个单原子与被困在两个独立且相同的腔室中的光进行相互作用的设置。研究人员想要观察，如果他们能让原子以两种可能顺序的叠加态通过这两个腔室，会发生什么：即同时处于“先经过腔室 A 再经过 B”以及“先经过腔室 B 再经过 A”的状态。通过这样做，他们发现这种奇特的排序可以在两个腔室之间的光之间创造出一种强大的联系，即便这两束光从未直接接触过。

该实验涉及一个单原子（充当信使）和两个充满光的空房间。为了创造这种不定序，研究人员使用了一个控制机制，本质上是一个“量子开关”，来决定原子的路径。如果开关设定为一种状态，原子会先穿过第一个腔室，然后再穿过第二个。如果开关设定为另一种状态，顺序则会反转。突破点在于，当开关处于两种状态的叠加态时，原子并不会选择单一路径；它同时通过这两条序列进行旅行。研究人员发现，当原子完成这段双路径旅程并出现时，两个独立腔室内的光场会产生深度的关联。它们共享一种被称为“纠缠”的量子连接，这意味着一个腔室中光的状态与另一个腔室中的光瞬间相关联，尽管这两个腔室中的光波从未相互作用过。

这种效应之所以特别引人注目，是因为这种产生纠缠的能力独立于原子起始于激发态还是基态，也独立于原子穿过每个腔室所需的时间。然而，最终产生的特定状态以及获得该状态的概率，则取决于原子的初始条件和测量结果。此外，研究人员展示了这一过程可以产生特定的、高度复杂的模式。例如，如果腔室最初没有任何光，该过程可以创造出一种状态，即单个光子处于“位于第一个腔室或第二个腔室”的叠加态中，但绝不会同时在两者中或两者都不在。这是一种被称为“NOON态”的状态，对于超精密测量非常有价值。更令人惊叹的是，团队证明了该系统可以在不改变原子自身状态的情况下，实现光子在两个腔室之间的交换。在原子按固定顺序移动的标准设置中，这种在不改变信使的情况下进行交换的操作是不可能的。不定序允许原子作为一个桥梁，在不留下其自身旅程痕迹的情况下重新排列光。

研究还揭示了这种不定序如何破坏系统的自然节奏。在标准量子物理学中，当原子与光相互作用时，通常会表现出一种可预测的、波动性的能量水平变化，称为“拉比振荡”（Rabi oscillations）。研究人员发现，当引入不定序因果关系时，这种平滑的正弦波节奏要么完全消失，要么失去了其规则形状。系统不再表现出在固定顺序场景中所见的预测性脉冲。相反，结果取决于对控制开关的具体测量，从而导致各种可能的最终光态。

这些发现的意义在于，它们提出了一种控制物质与光相互作用的新方法。通过操纵事件的顺序，科学家可以创造出原本保持分离的远程系统之间的纠缠态。研究人员建议，这可以通过一个沿着圆形路径运动的捕获原子在物理上实现，其中原子的波包被分裂并重新组合，从而有效地让它以叠加顺序访问两个腔室。虽然目前的工作是基于已建立的光与物质相互作用模型的理论研究，但它开启了一扇通往新可能性的门。它表明，通过拥抱“谁先发生”的这种模糊性，我们可以解锁控制量子系统、创造纠缠以及执行那些在固定因果关系世界中被严格禁止的任务的新能力。