就好像通過魔法一樣，看似獨立的鐘擺可以同時并同步地打勾。“自組織同步”現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在自然和工程中，并且是馬克斯普朗克動力學(xué)和自組織研究所Marc Timme團隊的關(guān)鍵研究領(lǐng)域之一。哥廷根的物理學(xué)家是德意合作的一部分，現(xiàn)在已經(jīng)在“自然通訊”中發(fā)表了一個驚人的發(fā)現(xiàn)：甚至量子系統(tǒng)也可以通過自組織同步，而無需任何外部控制。這種同步體現(xiàn)在量子世界最奇怪的屬性 - 糾纏中。

1665年，荷蘭研究員克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens，1629-1695)正在研究一種新穎的船舶時鐘。當(dāng)時，擺鐘是最先進的，并且一個特殊形狀的鐘擺旨在對船舶的搖擺不那么敏感。船舶時鐘盡可能精確地工作是確定經(jīng)度的關(guān)鍵。為了保護，惠更斯已經(jīng)將他的兩個擺鐘構(gòu)建成一個沉重的房屋，這個房屋被懸掛，以便它可以在很大程度上補償船的搖擺。然后，他發(fā)現(xiàn)了一個令人驚訝的現(xiàn)象：雖然鐘表彼此獨立運行并且不受任何外部影響，但它們的鐘擺在每次重啟后最多半小時內(nèi)精確同步。

惠更斯甚至推測，兩個鐘擺在兩個時鐘的聯(lián)合懸掛中通過微小的“不可察覺的運動”同步。他的猜測是正確的，因為物理學(xué)家后來能夠證明這種振蕩系統(tǒng)。“即使在沒有任何外部影響的情況下，人們也可以觀察到這樣的時鐘以及許多其他振蕩物體彼此同步，”哥廷根馬克斯普朗克動力學(xué)和自組織研究所的理論物理學(xué)家Marc Timme解釋道。該教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組負責(zé)研究網(wǎng)絡(luò)和分析的動態(tài)，例如電網(wǎng)的行為。

關(guān)節(jié)懸掛導(dǎo)致擺錘同步

在自然界和工程中的許多系統(tǒng)中可以觀察到看似獨立的振蕩器與一個頻率的自組織同步。先決條件通常是“隱藏”耦合，如通過鐘擺的關(guān)節(jié)懸掛。像Timme這樣的科學(xué)家也把這稱為鎖定行為，所有振蕩器都涉及到恰好一個頻率的同步，然后被困在其中。這實際上適用于從關(guān)節(jié)梁懸掛的兒童秋千。如果它們從不同的起始位置被推開，它們可以在某個階段同步到單個頻率。

示例不僅限于機械振蕩。“同步也可以用于許多不同的生物網(wǎng)絡(luò)，”Timme解釋說，“這種現(xiàn)象例如發(fā)生在大腦中，當(dāng)神經(jīng)沖動同步時。”腦波在某些區(qū)域的同步似乎對我們思維器官的工作很重要。但它也可以實現(xiàn)太多。蒂姆說：“大腦中腦波的大規(guī)模，廣泛同步是癲癇的特征。”

量子對象在沒有任何外部影響的情況下同步

所有這些自組織排序現(xiàn)象都是基于經(jīng)典 - 非量子世界的基本原理。然而，德國 - 意大利的研究合作現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)即使對于純量子系統(tǒng)也會出現(xiàn)同步。這次合作是由Marc Timme和他的前博士后Dirk Witthaut共同發(fā)起的，他同時領(lǐng)導(dǎo)了ForschungszentrumJülich的一個獨立研究小組。概念性的新作品已在著名的自然通訊雜志上發(fā)表。在該出版物中，科學(xué)家首次證明，包含大量量子物體的孤立系統(tǒng)，例如被困在光學(xué)晶格中的玻色 - 愛因斯坦凝聚體的原子，可以以非常類似的方式同步經(jīng)典的物理系統(tǒng)。

在玻色 - 愛因斯坦凝聚體中，其實驗實現(xiàn)在2001年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，幾個原子表現(xiàn)得像一個量子物體，但單個原子仍然可以被困在光學(xué)晶格中。這種網(wǎng)格由交叉激光束的電磁勢構(gòu)成，類似于由光制成的蛋盒，其中原子被展開。量子粒子可以在盒子中同步而沒有任何外部影響，這意味著它們同樣是自組織的。“這是我們文章的主要新聞，”蒂姆說。

這些振蕩量子系統(tǒng)可以想象為許多亨氏的擺鐘。這些時鐘通過光束相互耦合，它們都懸掛在光束上。結(jié)果，他們的鐘擺在一段時間后同步振蕩。量子系統(tǒng)通過相互交互以相同的方式同步。這種自組織過渡到同步集體的過程與經(jīng)典物理學(xué)完全一致。

同步的量子對象被糾纏在一起

但是在量子世界中會發(fā)生更多的事情 - 集體量子態(tài)形成。這種量子態(tài)代表了量子力學(xué)的不確定性：糾纏。彼此纏繞的量子系統(tǒng)不再能夠彼此獨立地描述。在我們的時鐘示例中，這大致就好像不再能夠單獨識別鐘擺一樣 - 每個鐘擺都包含所有其他鐘擺的信息。因此，所有鐘擺都會像一個物體，一個量子物體一樣表現(xiàn)。“經(jīng)典同步是形成量子力學(xué)糾纏的'吸煙槍'，”該研究的第一作者Dirk Witthaut說，“這是非常令人驚訝的。”

這一發(fā)現(xiàn)為迷人的糾纏現(xiàn)象注入了新的亮點。幾十年來，糾纏系統(tǒng)在許多物理實驗室中經(jīng)常生產(chǎn)。新結(jié)果不僅對基礎(chǔ)研究很重要。一段時間以來，量子信息研究領(lǐng)域一直致力于將糾纏作為技術(shù)資源，無論是未來的量子計算機還是信息的防錯傳輸。德國與意大利合作現(xiàn)在發(fā)表的文章也就如何在實驗室中檢測到量子集體的自組織同步提出了具體建議。因此，看到這種現(xiàn)象真正出現(xiàn)在哪種形式以及它如何激發(fā)新的研究方向?qū)⑹欠浅Ｓ腥さ摹?/p>

對于Marc Timme來說，本文也證明了不同學(xué)科之間的合作對于發(fā)現(xiàn)這些不尋常的發(fā)現(xiàn)有多么重要。他本人就是古典自組織系統(tǒng)和同步動力學(xué)的專家。他的研究領(lǐng)域被稱為“非線性動力學(xué)”和“網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)”，前者也被廣泛稱為“混沌理論”。與此相反，Dirk Witthaut來自量子物理領(lǐng)域。只有物理學(xué)兩種思想流派的緊密合作才能發(fā)現(xiàn)量子世界中的經(jīng)典同步與量子力學(xué)糾纏有關(guān)。蒂姆說：“特別是資助和開展這樣的跨學(xué)科項目往往非常困難，因為他們不能被分配到任何傳統(tǒng)學(xué)科。”