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量子系统通过自组织同步

发布时间:2018-05-15

在左边,钟摆不会同步摆动;在右边,他们组织了自己同步振荡。在量子系统中,这种经典的同步可以成为纠缠的“冒烟枪”。这项与德国和意大利人合作的预测可以在实验室进行检查,包括Marc Timme和Dirk Witthaut。

em Max Planck Institute最近发表的一项研究表明,量子系统可以通过自组织进行同步,而无需任何外部控制。 / em

就像通过魔法一样,看似独立的摆钟可以同时同步并同步。 “自组织同步”现象经常发生在自然界和工程领域,是马克·蒂姆梅团队在马克斯·普朗克动力学和自组织研究所的主要研究领域之一。哥廷根的物理学家是德意合作的一部分,现在在“自然通讯”上发表了一个惊人的发现:即使量子系统也可以通过自组织同步,而无需任何外部控制。这种同步表现在量子世界最奇怪的属性 - 纠缠。

1665年,荷兰研究人员克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens,1629-1695)正在研制一种新型船舶钟表。当时,摆钟是最先进的,并且一个特殊形状的钟摆旨在对船只的摇摆作出较不敏感的反应。尽可能精确地运行船舶的时钟是精确确定经度的关键。为了保护,惠更斯将他的两个摆钟建成了一个沉重的房屋,这个房屋被悬挂起来,以至于它应该在很大程度上弥补船只的晃动。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,但钟摆在每次重新启动后半小时内都会精确同步。

惠更斯甚至猜测,两个钟摆在两个时钟的联合暂停中通过微小的“不可感知的运动”同步。他的猜测是正确的,物理学家随后能够证明这种振荡系统。哥廷根马克斯普朗克动力学与自组织理论物理学家马克蒂米说:“人们可以观察到这些时钟以及许多其他振荡物体,即使在没有任何外部影响的情况下也可以彼此同步。教授领导一个研究小组,研究网络和分析的动态,例如电网的行为。

联合悬挂使钟摆同步

看似独立的振荡器对一个频率的自组织同步可以在许多自然界和工程系统中观察到。先决条件通常是一种“隐藏的”耦合,如通过钟摆的联合悬挂。像蒂姆梅这样的科学家也称这是一种锁定行为,所有振荡器都同步到一个频率,然后被困在其中。这实际上也适用于悬挂在联合梁上的儿童秋千。如果它们从不同的起始位置被推出,它们可能在某个阶段同步到单个频率。

这些例子不仅限于机械振荡。 “同步也会发生在许多不同的生物网络中,”蒂姆梅解释说,“例如,当神经冲动同步时,这种现象就发生在大脑中。”某些领域的脑波同步似乎对我们思考器官的工作很重要。但它也可以实现太多。蒂姆说:“大脑中脑波的大规模同步广泛是癫痫的特征。

量子对象同步,没有任何外部影响

所有这些自组织的排序现象都是基于经典非量子世界的基础。然而,德国和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。此次合作由Marc Timme和他的前博士Dirk Witthaut共同发起,他同时在ForschungszentrumJülich担任独立研究小组负责人。

这个概念上的新作品现已在着名的Nature Communications杂志上发表。在出版物中,科学家们首次证明,包含大量量子物体的孤立系统,例如被捕获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。

在一个玻色 - 爱因斯坦凝聚体中,其实验实现获得了2001年诺贝尔物理学奖,几个原子的行为就像一个单一的量子物体,单个原子可以被困在一个光学晶格中。这样的网格是由交叉激光束的电磁势构成的,并且类似于由光线制成的蛋盒,其中原子被展开。量子粒子可以在盒子中同步,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,”蒂姆梅说。

这些振荡量子系统可以想象成许多惠更斯的钟摆。这些时钟通过光束彼此耦合,从中它们全部被暂停。结果,他们的钟摆在一段时间后同步摆动。量子系统通过相互作用以同样的方式进行同步。这种自组织的向同步集体的过渡与古典物理完全一致。

同步的量子物体纠缠在一起

但是更多的事情发生在量子世界 - 一个集体量子状态形成。这种量子态代表量子力学的不确定性:纠缠。相互缠绕的量子系统不能彼此独立描述。在我们钟表的例子中,这大致就好像不再能够单独识别钟摆 - 每个钟摆都包含所有其他信息。因此所有钟摆都会像一个物体一样表现为一个量子物体。该研究的主要作者Dirk Witthaut说:“古典同步是形成量子力学纠缠的”冒烟枪“,这非常令人惊讶。”

这一发现为纠缠的迷人现象提供了新的亮点。几十年来,许多物理实验室都经常制造纠缠系统。新的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在努力使用纠缠作为技术资源,无论是在未来的量子计算机还是在防错信息传输中。

德意合作出版的这篇文章也提出了具体的建议,以便如何在实验室中检测到量子体的自组织同步。因此,看看这种现象真正出现在哪种形式以及它如何激发新的研究线索,将会非常有趣。

对于马克蒂姆,这篇论文也证明了不同学科之间的合作对于发现这种不寻常的发现有多重要。他本人是古典自组织系统和同步动态的专家。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”。德克Witthaut相反来自量子物理领域。只有两种物理学思想的紧密合作导致了量子世界中经典同步与量子力学纠缠有关的发现。

蒂姆梅说:“特别是资助和开展这种跨学科项目通常非常困难,因为他们不能被分配到任何传统学科。在哥廷根的成功是唯一可能的,因为马克斯普朗克协会长期支持这种跨学科研究,并且作为没有预定目标的纯粹研究。

出版物:Dirk Witthaut等人,“经典同步表明孤立量子系统中的持久性纠缠”,Nature Communications 8,文章编号:14829(2017); DOI:10.1038 / ncomms14829

来源:马克斯普朗克研究所