Som genom en magi, till synes oberoende pendelklockor kan gå ihop för att ticka samtidigt och i synkronisering. Fenomenet "självorganiserad synkronisering" förekommer ofta inom natur och teknik och är ett av de viktigaste forskningsområdena för Marc Timmes team vid Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization. Fysikerna i Göttingen är en del av ett tysk-italiensk samarbete som nu har publicerat en fantastisk upptäckt i Naturkommunikation :även kvantsystem kan synkronisera genom självorganisation, utan någon extern kontroll. Denna synkronisering manifesterar sig i kvantvärldens konstigaste egenskap - förträngning.

År 1665, den holländska forskaren Christiaan Huygens (1629-1695) arbetade med en ny klocka för fartyg. Just då, pendelklockor var toppmoderna, och en speciellt formad pendel var avsedd att reagera mindre känsligt på fartygens gungning. Fartygets klockor som fungerade så exakt som möjligt var nyckeln till exakt bestämning av longitud. För skydd, Huygens hade byggt två av sina pendelklockor till ett tungt hus, som avbröts så att det till stor del skulle kompensera gungningen av fartyget. Han upptäckte sedan ett överraskande fenomen:Även om klockorna gick oberoende av varandra och inte var utsatta för yttre påverkan, deras pendlar svängde i exakt synkronisering inom högst en halvtimme efter varje omstart.

Huygens antog redan då att de två pendlarna synkroniserades via små "omärkliga rörelser" i de två klockornas gemensamma upphängning. Hans gissning var korrekt, som fysiker senare kunde demonstrera för sådana oscillerande system. "Man kan observera sådana klockor såväl som många andra oscillerande föremål för att synkronisera med varandra även om det inte finns något yttre inflytande, "förklarar Marc Timme, teoretisk fysiker vid Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization i Göttingen. Professorn leder en forskargrupp som studerar dynamiken i nätverk och analyser, till exempel, beteendet hos elnät.

En gemensam upphängning gör att pendlarna synkroniseras

Den självorganiserade synkroniseringen av till synes oberoende oscillatorer till en frekvens kan observeras i många system inom natur och teknik. Förutsättningen är ofta en "dold" koppling, som via ledupphängningen för pendelklockorna. Forskare som Timme kallar detta också ett låsbeteende, med alla oscillatorer involverade synkronisering till exakt en frekvens och sedan förbli instängd i den. Detta fungerar faktiskt med barns gungor som också är upphängda från en gemensam balk. Om de skjuts av från olika utgångslägen, de kan synkronisera till en enda frekvens vid något tillfälle.

Exemplen är inte begränsade bara till mekaniska svängningar. "Synkronisering sker också för många olika biologiska nätverk, "förklarar Timme" Fenomenet uppstår till exempel i hjärnan när nervimpulser synkroniseras. "Denna synkronisering av hjärnvågor i vissa områden verkar vara viktig för vårt tänkande organs funktion. Men det kan också uppnå för mycket." Storskalig , omfattande synkronisering av hjärnvågor i hjärnan är karakteristisk för epilepsi, säger Timme.

Kvantobjekt synkroniseras utan yttre påverkan

Alla dessa självorganiserade ordningsfenomen är baserade på grunderna i den klassiska-icke-kvantvärlden. Dock, ett tysk-italiensk forskningssamarbete har nu upptäckt att synkronisering växer fram även för rena kvantsystem. Detta samarbete initierades av Marc Timme tillsammans med hans tidigare postdoc Dirk Witthaut, som under tiden leder en oberoende forskargrupp vid Forschungszentrum Jülich. Det konceptuellt nya verket har nu publicerats i det kända Naturkommunikation tidning. I publikationen forskarna visar för första gången att isolerade system som består av ett stort antal kvantobjekt, såsom atomerna i ett Bose-Einstein-kondensat som är fångat i ett optiskt gitter, till exempel, kan synkronisera på ett mycket liknande sätt som klassiska fysiksystem.

I ett kondensat från Bose-Einstein, vars experimentella förverkligande hedrades med Nobelpriset i fysik 2001, flera atomer beter sig som ett enda kvantobjekt, enskilda atomer kan ändå fastna i ett optiskt gitter. Sådana nät är konstruerade av den elektromagnetiska potentialen hos korsade laserstrålar och liknar en ägglåda av ljus, där atomerna är utspridda. Kvantpartiklarna kan synkronisera i lådan utan någon som helst yttre påverkan, vilket innebär att de också är självorganiserade. "Detta är huvudnyheten i vår artikel, säger Timme.

Dessa oscillerande kvantsystem kan tänkas som många Huygens pendelklockor. Dessa klockor kopplades med varandra via en balk, från vilka de alla är avstängda. Följaktligen, deras pendlar oscillerar synkront efter en tid. Kvantsystemen synkroniseras på samma sätt genom att interagera med varandra. Denna självorganiserade övergång till ett synkroniserat kollektiv är i fullständig överensstämmelse med klassisk fysik.

Synkroniserade kvantobjekt är intrasslade

Men något mer händer i kvantvärlden - ett kollektivt kvanttillstånd bildas. Detta kvanttillstånd representerar osäkerheten i kvantmekaniken som sådan:intrassling. Kvantsystem som är intrasslade med varandra kan inte längre beskrivas oberoende av varandra. I vårt exempel på klockorna skulle det ungefär vara som om det inte längre var möjligt att känna igen pendlarna individuellt - varje pendel skulle innehålla information om alla andra. Alla pendlar skulle därför bete sig tillsammans som ett objekt, ett kvantobjekt. "Klassisk synkronisering är" rökpistolen "för bildandet av kvantmekanisk intrassling, "säger Dirk Witthaut, huvudförfattare till studien, "och detta är oerhört överraskande."

Detta fynd kastar nytt ljus över det fascinerande fenomenet intrassling. Intrasslade system har rutinmässigt producerats i många fysiklaboratorier i decennier. De nya resultaten är inte bara viktiga för grundforskning. Sedan en tid tillbaka har kvantinformationsforskningsområdet arbetat med att använda förträngning som en teknisk resurs, vare sig det är i framtidens kvantdatorer eller vid den felsäkra överföringen av information. Artikeln som nu publiceras av det tysk-italienska samarbetet ger också konkreta förslag på hur den självorganiserade synkroniseringen av ett kvantkollektiv kan upptäckas i laboratoriet. Det kommer därför att bli fascinerande att se i vilken form fenomenet verkligen visar sig och hur det inspirerar till nya forskningsområden.

För Marc Timme, detta dokument är också ett bevis på hur viktigt samarbetet mellan olika discipliner är för att göra sådana ovanliga upptäckter. Han är själv expert på dynamiken i klassiska självorganiserande system och i synnerhet synkronisering. Hans forskningsfält är kända som "olinjär dynamik" och "nätverksdynamik", den förra har också blivit allmänt känd som "kaosteori". Dirk Witthaut kommer däremot från kvantfysikens område. Endast det intensiva samarbetet mellan de två tankeskolorna i fysik ledde till upptäckten att klassisk synkronisering i kvantvärlden har något att göra med kvantmekanisk intrassling. "Det är ofta mycket svårt att särskilt finansiera och genomföra sådana tvärvetenskapliga projekt, eftersom de inte kan tilldelas någon av de traditionella disciplinerna, "säger Timme. Framgången i Göttingen var bara möjlig eftersom Max Planck Society stödde denna tvärvetenskapliga forskning på lång sikt och som ren forskning utan ett fördefinierat mål.