量子粒子在同步舞蹈中

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”現象經常發生在自然和工程中，并且是馬克斯普朗克動力學和自組織研究所Marc Timme團隊的關鍵研究領域之一。哥廷根的物理學家是德意合作的一部分，現在已經在“自然通訊”中發表了一個驚人的發現：甚至量子系統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度的關鍵。為了保護，惠更斯已經將他的兩個擺鐘構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，他發現了一個令人驚訝的現象：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精確同步。

惠更斯甚至推測，兩個鐘擺在兩個時鐘的聯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，因為物理學家后來能夠證明這種振蕩系統。“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和自組織研究所的理論物理學家Marc Timme解釋道。該教授領導的研究小組負責研究網絡和分析的動態，例如電網的行為。

關節懸掛導致擺錘同步

在自然界和工程中的許多系統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，如通過鐘擺的關節懸掛。像Timme這樣的科學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節梁懸掛的兒童秋千。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絡，”Timme解釋說，“這種現象例如發生在大腦中，當神經沖動同步時。”腦波在某些區域的同步似乎對我們思維器官的工作很重要。但它也可以實現太多。蒂姆說：“大腦中腦波的大規模，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象都是基于經典 - 非量子世界的基本原理。然而，德國 - 意大利的研究合作現在已經發現即使對于純量子系統也會出現同步。這次合作是由Marc Timme和他的前博士后Dirk Witthaut共同發起的，他同時領導了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表。在該出版物中，科學家首次證明，包含大量量子物體的孤立系統，例如被困在光學晶格中的玻色 - 愛因斯坦凝聚體的原子，可以以非常類似的方式同步經典的物理系統。

在玻色 - 愛因斯坦凝聚體中，其實驗實現在2001年獲得諾貝爾物理學獎，幾個原子表現得像一個量子物體，但單個原子仍然可以被困在光學晶格中。這種網格由交叉激光束的電磁勢構成，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。結果，他們的鐘擺在一段時間后同步振蕩。量子系統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典物理學完全一致。

同步的量子對象被糾纏在一起

但是在量子世界中會發生更多的事情 - 集體量子態形成。這種量子態代表了量子力學的不確定性：糾纏。彼此纏繞的量子系統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。“經典同步是形成量子力學糾纏的'吸煙槍'，”該研究的第一作者Dirk Witthaut說，“這是非常令人驚訝的。”

這一發現為迷人的糾纏現象注入了新的亮點。幾十年來，糾纏系統在許多物理實驗室中經常生產。新結果不僅對基礎研究很重要。一段時間以來，量子信息研究領域一直致力于將糾纏作為技術資源，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在發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，看到這種現象真正出現在哪種形式以及它如何激發新的研究方向將是非常有趣的。

對于Marc Timme來說，本文也證明了不同學科之間的合作對于發現這些不尋常的發現有多么重要。他本人就是古典自組織系統和同步動力學的專家。他的研究領域被稱為“非線性動力學”和“網絡動力學”，前者也被廣泛稱為“混沌理論”。與此相反，Dirk Witthaut來自量子物理領域。只有物理學兩種思想流派的緊密合作才能發現量子世界中的經典同步與量子力學糾纏有關。蒂姆說：“特別是資助和開展這樣的跨學科項目往往非常困難，因為他們不能被分配到任何傳統學科。”