量子粒子在同步舞蹈中

就好像通过魔法一样，看似独立的钟摆可以同时并同步地打勾。“自组织同步”现象经常发生在自然和工程中，并且是马克斯普朗克动力学和自组织研究所Marc Timme团队的关键研究领域之一。哥廷根的物理学家是德意合作的一部分，现在已经在“自然通讯”中发表了一个惊人的发现：甚至量子系统也可以通过自组织同步，而无需任何外部控制。这种同步体现在量子世界最奇怪的属性 - 纠缠中。

1665年，荷兰研究员克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens，1629-1695)正在研究一种新颖的船舶时钟。当时，摆钟是最先进的，并且一个特殊形状的钟摆旨在对船舶的摇摆不那么敏感。船舶时钟尽可能精确地工作是确定经度的关键。为了保护，惠更斯已经将他的两个摆钟构建成一个沉重的房屋，这个房屋被悬挂，以便它可以在很大程度上补偿船的摇摆。然后，他发现了一个令人惊讶的现象：虽然钟表彼此独立运行并且不受任何外部影响，但它们的钟摆在每次重启后最多半小时内精确同步。

惠更斯甚至推测，两个钟摆在两个时钟的联合悬挂中通过微小的“不可察觉的运动”同步。他的猜测是正确的，因为物理学家后来能够证明这种振荡系统。“即使在没有任何外部影响的情况下，人们也可以观察到这样的时钟以及许多其他振荡物体彼此同步，”哥廷根马克斯普朗克动力学和自组织研究所的理论物理学家Marc Timme解释道。该教授领导的研究小组负责研究网络和分析的动态，例如电网的行为。

关节悬挂导致摆锤同步

在自然界和工程中的许多系统中可以观察到看似独立的振荡器与一个频率的自组织同步。先决条件通常是“隐藏”耦合，如通过钟摆的关节悬挂。像Timme这样的科学家也把这称为锁定行为，所有振荡器都涉及到恰好一个频率的同步，然后被困在其中。这实际上适用于从关节梁悬挂的儿童秋千。如果它们从不同的起始位置被推开，它们可以在某个阶段同步到单个频率。

示例不仅限于机械振荡。“同步也可以用于许多不同的生物网络，”Timme解释说，“这种现象例如发生在大脑中，当神经冲动同步时。”脑波在某些区域的同步似乎对我们思维器官的工作很重要。但它也可以实现太多。蒂姆说：“大脑中脑波的大规模，广泛同步是癫痫的特征。”

量子对象在没有任何外部影响的情况下同步

所有这些自组织排序现象都是基于经典 - 非量子世界的基本原理。然而，德国 - 意大利的研究合作现在已经发现即使对于纯量子系统也会出现同步。这次合作是由Marc Timme和他的前博士后Dirk Witthaut共同发起的，他同时领导了ForschungszentrumJülich的一个独立研究小组。概念性的新作品已在着名的自然通讯杂志上发表。在该出版物中，科学家首次证明，包含大量量子物体的孤立系统，例如被困在光学晶格中的玻色 - 爱因斯坦凝聚体的原子，可以以非常类似的方式同步经典的物理系统。

在玻色 - 爱因斯坦凝聚体中，其实验实现在2001年获得诺贝尔物理学奖，几个原子表现得像一个量子物体，但单个原子仍然可以被困在光学晶格中。这种网格由交叉激光束的电磁势构成，类似于由光制成的蛋盒，其中原子被展开。量子粒子可以在盒子中同步而没有任何外部影响，这意味着它们同样是自组织的。“这是我们文章的主要新闻，”蒂姆说。

这些振荡量子系统可以想象为许多亨氏的摆钟。这些时钟通过光束相互耦合，它们都悬挂在光束上。结果，他们的钟摆在一段时间后同步振荡。量子系统通过相互交互以相同的方式同步。这种自组织过渡到同步集体的过程与经典物理学完全一致。

同步的量子对象被纠缠在一起

但是在量子世界中会发生更多的事情 - 集体量子态形成。这种量子态代表了量子力学的不确定性：纠缠。彼此缠绕的量子系统不再能够彼此独立地描述。在我们的时钟示例中，这大致就好像不再能够单独识别钟摆一样 - 每个钟摆都包含所有其他钟摆的信息。因此，所有钟摆都会像一个物体，一个量子物体一样表现。“经典同步是形成量子力学纠缠的'吸烟枪'，”该研究的第一作者Dirk Witthaut说，“这是非常令人惊讶的。”

这一发现为迷人的纠缠现象注入了新的亮点。几十年来，纠缠系统在许多物理实验室中经常生产。新结果不仅对基础研究很重要。一段时间以来，量子信息研究领域一直致力于将纠缠作为技术资源，无论是未来的量子计算机还是信息的防错传输。德国与意大利合作现在发表的文章也就如何在实验室中检测到量子集体的自组织同步提出了具体建议。因此，看到这种现象真正出现在哪种形式以及它如何激发新的研究方向将是非常有趣的。

对于Marc Timme来说，本文也证明了不同学科之间的合作对于发现这些不寻常的发现有多么重要。他本人就是古典自组织系统和同步动力学的专家。他的研究领域被称为“非线性动力学”和“网络动力学”，前者也被广泛称为“混沌理论”。与此相反，Dirk Witthaut来自量子物理领域。只有物理学两种思想流派的紧密合作才能发现量子世界中的经典同步与量子力学纠缠有关。蒂姆说：“特别是资助和开展这样的跨学科项目往往非常困难，因为他们不能被分配到任何传统学科。”