Como num passe de mágica, relógios de pêndulo aparentemente independentes podem se juntar para funcionar simultaneamente e em sincronia. O fenômeno da "sincronização auto-organizada" ocorre freqüentemente na natureza e na engenharia e é um dos principais campos de pesquisa da equipe de Marc Timme no Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-organização. Os físicos em Göttingen fazem parte de uma colaboração germano-italiana que publicou agora uma descoberta surpreendente em Nature Communications :mesmo os sistemas quânticos podem ser sincronizados por meio da auto-organização, sem qualquer controle externo. Essa sincronização se manifesta na propriedade mais estranha do mundo quântico - o emaranhamento.

Em 1665, o pesquisador holandês Christiaan Huygens (1629-1695) estava trabalhando em um novo relógio para navios. No momento, relógios de pêndulo eram o estado da arte, e um pêndulo com formato especial tinha a intenção de responder com menos sensibilidade ao balanço dos navios. Os relógios dos navios funcionando com a maior precisão possível eram a chave para a determinação exata da longitude. Para proteção, Huygens havia construído dois de seus relógios de pêndulo em uma caixa pesada, que foi suspenso de forma a compensar amplamente o balanço do navio. Ele então descobriu um fenômeno surpreendente:embora os relógios funcionassem independentemente um do outro e não estivessem sujeitos a qualquer influência externa, seus pêndulos balançavam em sincronia precisa no máximo meia hora após cada reinício.

Huygens supôs ainda naquela época que os dois pêndulos se sincronizavam por meio de minúsculos "movimentos imperceptíveis" na suspensão conjunta dos dois relógios. Seu palpite estava correto, como os físicos mais tarde puderam demonstrar para tais sistemas oscilantes. "Pode-se observar esses relógios, bem como muitos outros objetos oscilantes para sincronizar uns com os outros, mesmo na ausência de qualquer influência externa, "explica Marc Timme, físico teórico do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-Organização em Göttingen. O professor dirige um Grupo de Pesquisa que estuda a dinâmica de redes e análises, por exemplo, o comportamento das redes elétricas.

Uma suspensão da junta faz com que os pêndulos sincronizem

A sincronização auto-organizada de osciladores aparentemente independentes para uma frequência pode ser observada em muitos sistemas na natureza e na engenharia. O pré-requisito geralmente é um acoplamento "oculto", como através da suspensão conjunta para os relógios de pêndulo. Cientistas como Timme também chamam isso de comportamento de bloqueio, com todos os osciladores envolvidos na sincronização com precisamente uma frequência e, em seguida, permanecer preso nela. Na verdade, isso também funciona com balanços infantis suspensos em uma viga de junta. Se eles forem empurrados de diferentes posições iniciais, eles podem sincronizar com uma única frequência em algum estágio.

Os exemplos não se limitam apenas a oscilações mecânicas. "A sincronização também ocorre para muitas redes biológicas diferentes, "explica Timme" O fenômeno, por exemplo, ocorre no cérebro quando os impulsos nervosos são sincronizados. "Esta sincronização das ondas cerebrais em certas áreas parece ser importante para o funcionamento do nosso órgão pensante. Mas também pode alcançar muito." Em grande escala. , a sincronização extensiva das ondas cerebrais no cérebro é característica da epilepsia, "diz Timme.

Objetos quânticos sincronizam sem qualquer influência externa

Todos esses fenômenos de ordenação auto-organizados são baseados nos fundamentos do mundo clássico - não quântico. Contudo, uma colaboração de pesquisa germano-italiana descobriu agora a sincronização emergente até mesmo para sistemas quânticos puros. Esta colaboração foi iniciada por Marc Timme junto com seu ex-pós-doutorado Dirk Witthaut, que entretanto dirige um grupo de pesquisa independente no Forschungszentrum Jülich. O trabalho conceitualmente novo já foi publicado no renomado Nature Communications Diário. Na publicação, os cientistas demonstram pela primeira vez que sistemas isolados compreendendo um grande número de objetos quânticos, como os átomos de um condensado de Bose-Einstein que está preso em uma rede óptica, por exemplo, pode sincronizar de maneira muito semelhante aos sistemas clássicos da física.

Em condensados ​​de Bose-Einstein, cuja realização experimental foi homenageada com o Prêmio Nobel de Física em 2001, vários átomos se comportam como um único objeto quântico, átomos individuais podem, no entanto, ficar presos em uma rede óptica. Essas grades são construídas a partir do potencial eletromagnético de feixes de laser cruzados e se assemelham a uma caixa de ovo feita de luz, em que os átomos estão espalhados. As partículas quânticas podem ser sincronizadas na caixa sem qualquer influência externa, o que significa que eles são igualmente auto-organizados. “Esta é a principal notícia do nosso artigo, "diz Timme.

Esses sistemas quânticos oscilantes podem ser imaginados como muitos relógios de pêndulo de Huygens. Esses relógios foram acoplados entre si por meio de um feixe, do qual estão todos suspensos. Em consequência, seus pêndulos oscilam sincronicamente depois de algum tempo. Os sistemas quânticos se sincronizam exatamente da mesma maneira, interagindo uns com os outros. Essa transição auto-organizada para um coletivo sincronizado está em completa correspondência com a física clássica.

Objetos quânticos sincronizados estão emaranhados

Mas algo mais acontece no mundo quântico - um estado quântico coletivo se forma. Este estado quântico representa a incerteza da mecânica quântica como tal:emaranhamento. Os sistemas quânticos que estão emaranhados uns com os outros não podem mais ser descritos independentemente uns dos outros. Em nosso exemplo de relógios, isso seria mais ou menos como se não fosse mais possível reconhecer os pêndulos individualmente - cada pêndulo conteria informações sobre todos os outros. Todos os pêndulos, portanto, se comportariam juntos como um objeto, um objeto quântico. "A sincronização clássica é a 'arma fumegante' para a formação do emaranhamento da mecânica quântica, "diz Dirk Witthaut, autor principal do estudo, "e isso é extremamente surpreendente."

Essa descoberta lança uma nova luz sobre o fenômeno fascinante do emaranhamento. Sistemas emaranhados são produzidos rotineiramente em muitos laboratórios de física há décadas. Os novos resultados não são importantes apenas para a pesquisa básica. Há algum tempo, o campo de pesquisa de informação quântica vem trabalhando no uso do emaranhamento como um recurso técnico, seja em computadores quânticos do futuro ou na transmissão de informações à prova de erros. O artigo agora publicado pela colaboração germano-italiana também faz propostas concretas de como a sincronização auto-organizada de um coletivo quântico pode ser detectada em laboratório. Portanto, será fascinante ver de que forma o fenômeno realmente se mostra e como ele inspira novas linhas de pesquisa.

Para Marc Timme, este artigo também é uma evidência da importância da colaboração entre diferentes disciplinas para fazer tais descobertas incomuns. Ele mesmo é um especialista na dinâmica dos sistemas clássicos de auto-organização e sincronização em particular. Seus campos de pesquisa são conhecidos como "dinâmica não linear" e "dinâmica de rede", a primeira das quais também se tornou amplamente conhecida como "teoria do caos". Em contraste, Dirk Witthaut vem da área da física quântica. Apenas a intensa colaboração das duas escolas de pensamento em física levou à descoberta de que a sincronização clássica no mundo quântico tem algo a ver com o emaranhamento da mecânica quântica. "Muitas vezes é muito difícil financiar e realizar tais projetos interdisciplinares em particular, porque eles não podem ser atribuídos a nenhuma das disciplinas tradicionais, "diz Timme. O sucesso em Göttingen só foi possível porque a Max Planck Society apoiou essa pesquisa interdisciplinar a longo prazo e como pesquisa pura sem um objetivo predefinido.