量子系统通过自组织同步

作者:欧阳蕻宪

在左边,钟摆不会同步振荡;在右边,他们将自己组织成同步振荡量子系统,这样的经典同步可以成为纠缠的“冒烟之枪”这个与Marc Timme和Dirk Witthaut合作的德意合作预测可以在实验室检查马克斯普朗克研究所最新发表的一项研究表明,量子系统可以通过自组织进行同步,无需任何外部控制就好像通过魔法一样,看似独立的摆钟可以同时并联同时发生“自组织同步”现象“经常出现在自然界和工程学中,并且是马克斯普朗克动力学和自组织研究所Marc Timme团队的关键研究领域之一。哥廷根的物理学家是德意合作的一部分,现在已经发表了一个惊人的发现。 “自然通讯”:甚至量子系统也可以通过自组织来实现同步在没有任何外部控制的情况下,这种同步体现在量子世界中最奇怪的属性 - 纠缠在1665年,荷兰研究员克里斯蒂安惠更斯(1629-1695)正在研究一种新颖的船舶时钟当时,钟摆是国家一种特殊形状的摆锤旨在对船舶的摇摆不那么敏感地响应船舶的时钟尽可能精确地工作是精确确定经度的关键为了保护,惠更斯已经将他的两个钟摆构造成一个沉重的房屋因为它应该在很大程度上补偿了船的摇摆,然后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,但它们的钟摆在最多半个时间内精确同步。每次重启后一小时,惠更斯甚至推测这两个钟摆是通过微小的“不易察觉的动作”同步的暂停两个时钟他的猜测是正确的,因为物理学家后来能够证明这种振荡系统“人们可以观察到这样的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能彼此同步”,哥斯达普朗克斯动力学和自组织研究所理论物理学家Marc Timme解释说,该研究小组主持一个研究网络和分析动态的研究小组,例如,电网的行为。看似独立的自组织同步振荡器在一个频率上可以在自然界和工程中的许多系统中观察到前提条件通常是“隐藏”耦合,因为通过摆钟的联合悬架科学家如Timme也称之为锁定行为,所有振荡器都涉及精确同步一个频率,然后仍然被困在其中这实际上适用于儿童的秋千暂停从联合光束开始也是如果它们从不同的起始位置被推开,它们可能在某个阶段同步到单个频率。这些例子不仅仅局限于机械振荡“同步也发生在许多不同的生物网络中,”Timme解释说。例如,当神经冲动同步时,这种现象发生在大脑中“某些区域的脑波同步似乎对我们的思维器官的工作很重要但它也可以实现太多”脑波的大规模,广泛同步大脑是癫痫的特征,“蒂姆说,所有这些自组织排序现象都是基于经典 - 非量子世界的基本原理然而,德意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这种合作由Marc Timme和他的前博士后Dirk Witthaut共同发起,他同时担任主席ForschungszentrumJülich的一个独立研究小组概念上的新作品现已发表在着名的自然通讯期刊上。在该出版物中,科学家首次证明了包含大量量子物体的孤立系统,如原子例如,被困在光学晶格中的玻色 - 爱因斯坦凝聚体可以与传统的物理系统非常相似地同步 在Bose-Einstein凝聚体中,其实验实现在2001年获得诺贝尔物理学奖,几个原子表现得像一个单个量子物体,然而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的电磁势构成的。激光束和类似于由光组成的蛋盒,其中原子被展开。量子粒子可以在盒子中同步而没有任何外部影响,这意味着它们同样是自组织的“这是我们文章的主要新闻”。 Timme说这些振荡量子系统可以被想象为许多Huygens的摆钟这些时钟通过光束相互耦合,它们全部悬浮在一起。因此,它们的钟摆在一段时间后同步振荡量子系统以同样的方式同步通过相互作用这种自组织过渡到同步集体是完全对应的经典物理学但更多的事情发生在量子世界 - 集体量子态形成这种量子态代表了量子力学本身的不确定性:纠缠量彼此纠缠的量子系统不再能够彼此独立地描述在我们的例子中时钟这大致就好像不再能够单独识别钟摆一样 - 每个钟摆都包含所有其他钟摆的信息因此,所有钟摆都会像一个物体一样表现出来,量子物体“经典同步就是'吸烟枪'该研究的第一作者Dirk Witthaut表示,“这是为了形成量子力学纠缠”,“这非常令人惊讶”这一发现为迷人的纠缠现象提供了新的视角纠缠系统已在许多物理实验室中常规生产数十年新的结果不仅对基础研究很重要现在,量子信息研究领域一直致力于将纠缠作为技术资源,无论是未来的量子计算机还是信息的防错传输。德意合作现在发表的文章也提出了具体的建议。如何在实验室中检测到量子集合的自组织同步因此,看到这种现象真正出现在哪种形式以及如何激发新的研究方向将是非常有趣的对于Marc Timme来说,本文也是不同学科之间的合作对于发现这种不寻常的发现有多么重要他自己是经典自组织系统动力学的专家,特别是同步他的研究领域被称为“非线性动力学”和“网络动力学”,前者是这也被广泛称为“混沌理论”,而Dirk Witthaut则来自量子物理学领域只有物理学两种思想流派的紧密合作才能发现量子世界中的经典同步与量子力学纠缠有关“特别是资助和实施这种跨学科项目往往非常困难,因为他们不能被分配到任何传统学科,“Timme说道,只有马克斯普朗克学会能够长期支持这项跨学科研究,并且没有预定目标的纯粹研究,才能实现在哥廷根取得成功。出版物:Dirk Witthaut等人, “经典同步表明孤立量子系统中的持续纠缠,”Nature Communications 8,文章编号:14829(2017); doi:101038 / ncomms14829来源:....