Klassisk synkronisering indikerer vedvarende sammenfiltring i isolerede kvantesystemer

Som ved et trylleslag, tilsyneladende uafhængige pendulure kan samles for at tikke samtidigt og synkront. Fænomenet "selvorganiseret synkronisering" forekommer hyppigt i naturen og teknik og er et af nøgleforskningsfelterne for Marc Timmes team på Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization. Fysikerne i Göttingen er en del af et tysk-italiensk samarbejde, som nu har offentliggjort en fantastisk opdagelse i Naturkommunikation :selv kvantesystemer kan synkronisere gennem selvorganisering, uden ekstern kontrol. Denne synkronisering manifesterer sig i kvanteverdenens mærkeligste egenskab – sammenfiltring.

I 1665, den hollandske forsker Christiaan Huygens (1629-1695) arbejdede på et nyt ur til skibe. På det tidspunkt, pendulure var topmoderne, og et specielt formet pendul var beregnet til at reagere mindre følsomt på skibenes gyngning. Skibsure, der arbejdede så præcist som muligt, var nøglen til nøjagtig bestemmelse af længdegraden. Til beskyttelse, Huygens havde bygget to af sine pendulure ind i et tungt hus, som var ophængt sådan, at det stort set skulle kompensere for skibets gyngning. Så opdagede han et overraskende fænomen:Selvom urene kørte uafhængigt af hinanden og ikke var udsat for nogen ekstern påvirkning, deres penduler svingede i præcis synkronisering inden for højst en halv time efter hver genstart.

Huygens formodede allerede dengang, at de to penduler synkroniserede via små "umærkelige bevægelser" i de to ures fælles ophæng. Hans gæt var korrekt, som fysikere senere kunne demonstrere for sådanne oscillerende systemer. "Man kan observere sådanne ure såvel som mange andre oscillerende objekter for at synkronisere med hinanden selv i fravær af nogen ekstern påvirkning, " forklarer Marc Timme, teoretisk fysiker ved Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen. Professoren leder en forskningsgruppe, der studerer dynamikken i netværk og analyser, for eksempel, opførsel af elnettene.

Et ledophæng får pendulerne til at synkronisere

Den selvorganiserede synkronisering af tilsyneladende uafhængige oscillatorer til én frekvens kan observeres i mange systemer i naturen og teknik. Forudsætningen er ofte en "skjult" kobling, som via ledophænget til pendulurene. Forskere som Timme kalder dette også en låsende adfærd, med alle involverede oscillatorer, der synkroniserer til præcis én frekvens og forbliver fanget i den. Dette fungerer faktisk også med børns gynger ophængt i en ledbjælke. Hvis de skubbes af fra forskellige startpositioner, de kan på et tidspunkt synkronisere til en enkelt frekvens.

Eksemplerne er ikke begrænset til kun mekaniske svingninger. "Synkronisering sker også for mange forskellige biologiske netværk, " forklarer Timme "Fænomenet opstår for eksempel i hjernen, når nerveimpulser synkroniseres." Denne synkronisering af hjernebølger i visse områder ser ud til at være vigtig for, hvordan vores tænkende organ fungerer. Men det kan også opnå for meget. "Storskala , omfattende synkronisering af hjernebølger i hjernen er karakteristisk for epilepsi, " siger Timme.

Kvanteobjekter synkroniseres uden nogen ekstern påvirkning

Alle disse selvorganiserede ordensfænomener er baseret på det grundlæggende i den klassiske – ikke-kvante verden. Imidlertid, et tysk-italiensk forskningssamarbejde har nu opdaget, at synkronisering opstår selv for rene kvantesystemer. Dette samarbejde blev initieret af Marc Timme sammen med sin tidligere postdoc Dirk Witthaut, som i mellemtiden leder en uafhængig forskergruppe ved Forschungszentrum Jülich. Det konceptuelt nye værk er nu udgivet i det anerkendte Naturkommunikation tidsskrift. I publikationen, forskerne demonstrerer for første gang, at isolerede systemer, der omfatter et stort antal kvanteobjekter, såsom atomerne i et Bose-Einstein-kondensat, som er fanget i et optisk gitter, for eksempel, kan synkronisere på en meget lignende måde som klassiske fysiksystemer.

I et Bose-Einstein kondensat, hvis eksperimentelle realisering blev hædret med Nobelprisen i fysik i 2001, flere atomer opfører sig som et enkelt kvanteobjekt, individuelle atomer kan ikke desto mindre fanges i et optisk gitter. Sådanne gitter er konstrueret ud fra det elektromagnetiske potentiale af krydsede laserstråler og ligner en æggekasse lavet af lys, hvor atomerne er spredt ud. Kvantepartiklerne kan synkroniseres i boksen uden nogen som helst ydre påvirkning, hvilket betyder, at de ligeledes er selvorganiserede. "Dette er hovednyheden i vores artikel, " siger Timme.

Disse oscillerende kvantesystemer kan forestilles som mange Huygens' pendulure. Disse ure var forbundet med hinanden via en stråle, hvorfra de alle er suspenderet. Som konsekvens, deres penduler svinger synkront efter nogen tid. Kvantesystemerne synkroniserer på præcis samme måde ved at interagere med hinanden. Denne selvorganiserede overgang til et synkroniseret kollektiv er i fuldstændig overensstemmelse med klassisk fysik.

Synkroniserede kvanteobjekter er viklet ind

Men der sker noget mere i kvanteverdenen - en kollektiv kvantetilstand dannes. Denne kvantetilstand repræsenterer kvantemekanikkens usikkerhed som sådan:sammenfiltring. Kvantesystemer, der er viklet ind i hinanden, kan ikke længere beskrives uafhængigt af hinanden. I vores eksempel med urene ville dette groft sagt være, som om det ikke længere var muligt at genkende pendulerne individuelt – hvert pendul ville indeholde information om alle de andre. Alle penduler ville derfor opføre sig sammen som en genstand, et kvanteobjekt. "Klassisk synkronisering er den 'rygende pistol' til dannelsen af ​​kvantemekanisk sammenfiltring, siger Dirk Witthaut, hovedforfatter af undersøgelsen, "og det er yderst overraskende."

Denne opdagelse kaster nyt lys over det fascinerende fænomen sammenfiltring. Sammenfiltrede systemer er rutinemæssigt blevet produceret i mange fysiklaboratorier i årtier. De nye resultater er ikke kun vigtige for grundforskningen. I nogen tid nu har kvanteinformationsforskningsfeltet arbejdet på at bruge sammenfiltring som en teknisk ressource, det være sig i fremtidens kvantecomputere eller i fejlsikker transmission af information. Artiklen nu udgivet af det tysk-italienske samarbejde giver også konkrete forslag til, hvordan den selvorganiserede synkronisering af et kvantekollektiv kan opdages i laboratoriet. Det bliver derfor fascinerende at se, i hvilken form fænomenet virkelig viser sig, og hvordan det inspirerer til nye forskningslinjer.

For Marc Timme, dette papir er også bevis på, hvor vigtigt samarbejdet mellem forskellige discipliner er for at gøre sådanne usædvanlige opdagelser. Han er selv ekspert i dynamikken i klassiske selvorganiserende systemer og i særdeleshed synkronisering. Hans forskningsfelter er kendt som "ikke-lineær dynamik" og "netværksdynamik", hvoraf førstnævnte også er blevet almindeligt kendt som "kaosteori". Dirk Witthaut kommer derimod fra området kvantefysik. Kun det intense samarbejde mellem de to tankeskoler inden for fysik førte til opdagelsen af, at klassisk synkronisering i kvanteverdenen har noget at gøre med kvantemekanisk sammenfiltring. "Det er ofte meget svært at finansiere og gennemføre især sådanne tværfaglige projekter, fordi de ikke kan henføres til nogen af ​​de traditionelle discipliner, " siger Timme. Succesen i Göttingen var kun mulig, fordi Max Planck Society støttede denne tværfaglige forskning på lang sigt og som ren forskning uden et foruddefineret mål.