Como por arte de magia, relojes de péndulo aparentemente independientes pueden unirse para marcar simultáneamente y en sincronía. El fenómeno de la "sincronización autoorganizada" ocurre con frecuencia en la naturaleza y la ingeniería y es uno de los campos de investigación clave del equipo de Marc Timme en el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización. Los físicos de Göttingen son parte de una colaboración germano-italiana que ahora ha publicado un descubrimiento asombroso en Comunicaciones de la naturaleza :incluso los sistemas cuánticos pueden sincronizarse mediante la autoorganización, sin ningún control externo. Esta sincronización se manifiesta en la propiedad más extraña del mundo cuántico:el entrelazamiento.

En 1665, el investigador holandés Christiaan Huygens (1629-1695) estaba trabajando en un novedoso reloj para barcos. En el momento, Los relojes de péndulo eran lo último en tecnología, y un péndulo de forma especial estaba destinado a responder con menos sensibilidad al balanceo de los barcos. Los relojes de los barcos que funcionaban con la mayor precisión posible eran la clave para determinar con exactitud la longitud. Por protección, Huygens había construido dos de sus relojes de péndulo en una carcasa pesada, que fue suspendido de tal manera que debería compensar en gran medida el balanceo del barco. Luego descubrió un fenómeno sorprendente:aunque los relojes funcionaban de forma independiente entre sí y no estaban sujetos a ninguna influencia externa, sus péndulos oscilaron en sincronía precisa dentro de, como máximo, media hora después de cada reinicio.

Huygens supuso incluso en ese entonces que los dos péndulos se sincronizaban a través de pequeños "movimientos imperceptibles" en la suspensión conjunta de los dos relojes. Su conjetura fue correcta como los físicos pudieron demostrar más tarde para tales sistemas oscilantes. "Uno puede observar tales relojes, así como muchos otros objetos oscilantes para sincronizarse entre sí incluso en ausencia de cualquier influencia externa, "explica Marc Timme, físico teórico en el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización en Gotinga. El profesor encabeza un Grupo de Investigación que estudia la dinámica de redes y análisis, por ejemplo, el comportamiento de las redes eléctricas.

Una suspensión conjunta hace que los péndulos se sincronicen

La sincronización autoorganizada de osciladores aparentemente independientes a una frecuencia se puede observar en muchos sistemas en la naturaleza y la ingeniería. El requisito previo suele ser un acoplamiento "oculto", como a través de la suspensión conjunta para los relojes de péndulo. Los científicos como Timme también llaman a esto un comportamiento de bloqueo, con todos los osciladores involucrados sincronizarse exactamente a una frecuencia y luego permanecer atrapados en ella. En realidad, esto también funciona con columpios para niños suspendidos de una viga conjunta. Si son empujados desde diferentes posiciones iniciales, pueden sincronizarse a una sola frecuencia en algún momento.

Los ejemplos no se limitan solo a oscilaciones mecánicas. "La sincronización también ocurre para muchas redes biológicas diferentes, "explica Timme" El fenómeno, por ejemplo, ocurre en el cerebro cuando los impulsos nerviosos se sincronizan. "Esta sincronización de las ondas cerebrales en ciertas áreas parece ser importante para el funcionamiento de nuestro órgano pensante. Pero también puede lograr demasiado". , la sincronización extensa de las ondas cerebrales en el cerebro es característica de la epilepsia, "dice Timme.

Los objetos cuánticos se sincronizan sin ninguna influencia externa

Todos estos fenómenos de ordenamiento autoorganizados se basan en los fundamentos del mundo clásico no cuántico. Sin embargo, una colaboración de investigación germano-italiana ha descubierto que la sincronización emerge incluso para sistemas cuánticos puros. Esta colaboración fue iniciada por Marc Timme junto con su ex postdoctorado Dirk Witthaut, quien, mientras tanto, dirige un grupo de investigación independiente en el Forschungszentrum Jülich. El trabajo conceptualmente nuevo ahora se ha publicado en el renombrado Comunicaciones de la naturaleza diario. En la publicación, los científicos demuestran por primera vez que los sistemas aislados que comprenden un gran número de objetos cuánticos, como los átomos de un condensado de Bose-Einstein que está atrapado en una red óptica, por ejemplo, puede sincronizarse de una manera muy similar a los sistemas clásicos de física.

En un condensado de Bose-Einstein, cuya realización experimental fue galardonada con el Premio Nobel de Física en 2001, varios átomos se comportan como un solo objeto cuántico, Sin embargo, los átomos individuales pueden quedar atrapados en una red óptica. Estas rejillas se construyen a partir del potencial electromagnético de rayos láser cruzados y se asemejan a una caja de huevos hecha de luz. en el que se extienden los átomos. Las partículas cuánticas pueden sincronizarse en la caja sin ninguna influencia externa, lo que significa que también están autoorganizados. "Esta es la principal noticia de nuestro artículo, "dice Timme.

Estos sistemas cuánticos oscilantes pueden imaginarse como los relojes de péndulo de muchos Huygens. Estos relojes se acoplaron entre sí mediante un rayo, del cual están todos suspendidos. En consecuencia, sus péndulos oscilan sincrónicamente después de algún tiempo. Los sistemas cuánticos se sincronizan de la misma manera al interactuar entre sí. Esta transición autoorganizada a un colectivo sincronizado está en completa correspondencia con la física clásica.

Los objetos cuánticos sincronizados se entrelazan

Pero algo más sucede en el mundo cuántico:se forma un estado cuántico colectivo. Este estado cuántico representa la incertidumbre de la mecánica cuántica como tal:entrelazamiento. Los sistemas cuánticos que están entrelazados ya no pueden describirse independientemente unos de otros. En nuestro ejemplo de los relojes, esto sería más o menos como si ya no fuera posible reconocer los péndulos individualmente:cada péndulo contendría información sobre todos los demás. Por tanto, todos los péndulos se comportarían juntos como un solo objeto, un objeto cuántico. "La sincronización clásica es la 'pistola humeante' para la formación del entrelazamiento mecánico cuántico, "dice Dirk Witthaut, autor principal del estudio, "y esto es extremadamente sorprendente".

Este hallazgo arroja nueva luz sobre el fascinante fenómeno del entrelazamiento. Los sistemas entrelazados se han producido de forma rutinaria en muchos laboratorios de física durante décadas. Los nuevos resultados no solo son importantes para la investigación básica. Desde hace algún tiempo, el campo de la investigación de la información cuántica ha estado trabajando en el uso del entrelazamiento como recurso técnico, ya sea en las computadoras cuánticas del futuro o en la transmisión de información a prueba de errores. El artículo ahora publicado por la colaboración germano-italiana también hace propuestas concretas sobre cómo se puede detectar en el laboratorio la sincronización autoorganizada de un colectivo cuántico. Por tanto, será fascinante ver en qué forma se manifiesta realmente el fenómeno y cómo inspira nuevas líneas de investigación.

Para Marc Timme, Este artículo también es una prueba de la importancia de la colaboración entre diferentes disciplinas para realizar descubrimientos tan inusuales. Él mismo es un experto en la dinámica de los sistemas autoorganizados clásicos y en la sincronización en particular. Sus campos de investigación se conocen como "dinámica no lineal" y "dinámica de redes", la primera de las cuales también se conoce como "teoría del caos". Dirk Witthaut, por el contrario, proviene del área de la física cuántica. Solo la intensa colaboración de las dos escuelas de pensamiento en física llevó al descubrimiento de que la sincronización clásica en el mundo cuántico tiene algo que ver con el entrelazamiento mecánico cuántico. "A menudo es muy difícil financiar y llevar a cabo proyectos interdisciplinarios en particular, porque no pueden asignarse a ninguna de las disciplinas tradicionales, "dice Timme. El éxito en Gotinga sólo fue posible porque la Sociedad Max Planck apoyó esta investigación interdisciplinaria a largo plazo y como investigación pura sin un objetivo predefinido.