Als bij toverslag, schijnbaar onafhankelijke slingerklokken kunnen samenkomen om gelijktijdig en synchroon te tikken. Het fenomeen van "zelf-georganiseerde synchronisatie" komt vaak voor in de natuur en techniek en is een van de belangrijkste onderzoeksgebieden van Marc Timme's team aan het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization. De natuurkundigen in Göttingen maken deel uit van een Duits-Italiaanse samenwerking die nu een verbazingwekkende ontdekking heeft gepubliceerd in Natuurcommunicatie :zelfs kwantumsystemen kunnen synchroniseren door zelforganisatie, zonder enige externe controle. Deze synchronisatie manifesteert zich in de vreemdste eigenschap van de kwantumwereld:verstrengeling.

in 1665, de Nederlandse onderzoeker Christiaan Huygens (1629-1695) werkte aan een nieuwe klok voor schepen. Destijds, slingerklokken waren de stand van de techniek, en een speciaal gevormde slinger was bedoeld om minder gevoelig te reageren op het schommelen van de schepen. De zo nauwkeurig mogelijke scheepsklokken waren de sleutel tot het exact bepalen van de lengtegraad. Voor bescherming, Huygens had twee van zijn slingerklokken in een zware behuizing ingebouwd, die zo was opgehangen dat het het schommelen van het schip grotendeels zou compenseren. Hij ontdekte toen een verrassend fenomeen:hoewel de klokken onafhankelijk van elkaar liepen en niet onderhevig waren aan externe invloeden, hun slingers zwaaiden precies synchroon binnen maximaal een half uur na elke herstart.

Huygens vermoedde toen al dat de twee slingers synchroon liepen via minuscule "onmerkbare bewegingen" in de gezamenlijke ophanging van de twee klokken. Zijn vermoeden was juist, zoals natuurkundigen later konden aantonen voor dergelijke oscillerende systemen. "Je kunt dergelijke klokken observeren, evenals vele andere oscillerende objecten om met elkaar te synchroniseren, zelfs als er geen externe invloed is, " legt Marc Timme uit, theoretisch fysicus aan het Max Planck Instituut voor Dynamiek en Zelforganisatie in Göttingen. De hoogleraar leidt een onderzoeksgroep die de dynamiek van netwerken en analyses bestudeert, bijvoorbeeld, het gedrag van elektriciteitsnetten.

Een gewrichtsophanging zorgt ervoor dat de slingers synchroon lopen

De zelfgeorganiseerde synchronisatie van schijnbaar onafhankelijke oscillatoren op één frequentie kan worden waargenomen in veel systemen in de natuur en techniek. De voorwaarde is vaak een "verborgen" koppeling, zoals via de scharnierophanging voor de slingeruurwerken. Wetenschappers zoals Timme noemen dit ook wel een vergrendelingsgedrag, waarbij alle oscillatoren betrokken waren, synchroniseerden met precies één frequentie en er vervolgens in gevangen blijven. Dit werkt eigenlijk ook met kinderschommels die aan een scharnierbalk zijn opgehangen. Als ze vanuit verschillende startposities worden afgeduwd, ze kunnen op een bepaald moment synchroniseren met een enkele frequentie.

De voorbeelden zijn niet alleen beperkt tot mechanische trillingen. "Synchronisatie gebeurt ook voor veel verschillende biologische netwerken, " legt Timme uit "Het fenomeen doet zich bijvoorbeeld voor in de hersenen wanneer zenuwimpulsen synchroniseren." Deze synchronisatie van hersengolven in bepaalde gebieden lijkt belangrijk voor de werking van ons denkorgaan. Maar het kan ook te veel bereiken. "Grootschalig , uitgebreide synchronisatie van hersengolven in de hersenen is kenmerkend voor epilepsie, " zegt Timme.

Kwantumobjecten synchroniseren zonder enige invloed van buitenaf

Al deze zelfgeorganiseerde ordeningsverschijnselen zijn gebaseerd op de fundamenten van de klassieke – niet-kwantumwereld. Echter, een Duits-Italiaanse onderzoekssamenwerking heeft nu ontdekt dat synchronisatie zelfs voor zuivere kwantumsystemen opkomt. Deze samenwerking werd geïnitieerd door Marc Timme samen met zijn voormalige postdoc Dirk Witthaut, die ondertussen een onafhankelijke onderzoeksgroep leidt aan het Forschungszentrum Jülich. Het conceptueel nieuwe werk is nu gepubliceerd in het gerenommeerde Natuurcommunicatie logboek. In de publicatie, de wetenschappers tonen voor het eerst aan dat geïsoleerde systemen met grote aantallen kwantumobjecten, zoals de atomen van een Bose-Einstein-condensaat dat is opgesloten in een optisch rooster, bijvoorbeeld, kunnen synchroniseren op een manier die erg lijkt op klassieke natuurkundige systemen.

In een Bose-Einstein condensaat, wiens experimentele realisatie in 2001 werd bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde, verschillende atomen gedragen zich als een enkel kwantumobject, individuele atomen kunnen niettemin worden gevangen in een optisch rooster. Dergelijke roosters zijn opgebouwd uit het elektromagnetische potentieel van gekruiste laserstralen en lijken op een eierdoos gemaakt van licht, waarin de atomen zijn verspreid. De kwantumdeeltjes kunnen in de doos synchroniseren zonder enige externe invloed, wat betekent dat ze ook zelfgeorganiseerd zijn. "Dit is het belangrijkste nieuws van ons artikel, " zegt Timme.

Deze oscillerende kwantumsystemen kunnen worden voorgesteld als vele slingerklokken van Huygens. Deze klokken waren via een balk aan elkaar gekoppeld, waarvan ze allemaal zijn geschorst. Als gevolg, hun slingers oscilleren synchroon na enige tijd. De kwantumsystemen synchroniseren op precies dezelfde manier door met elkaar te interageren. Deze zelfgeorganiseerde overgang naar een gesynchroniseerd collectief is volledig in overeenstemming met de klassieke natuurkunde.

Gesynchroniseerde kwantumobjecten zijn verstrengeld

Maar er gebeurt nog iets meer in de kwantumwereld - er vormt zich een collectieve kwantumtoestand. Deze kwantumtoestand vertegenwoordigt de onzekerheid van de kwantummechanica als zodanig:verstrengeling. Kwantumsystemen die met elkaar verstrengeld zijn, zijn niet meer onafhankelijk van elkaar te beschrijven. In ons voorbeeld van de klokken zou dit ongeveer zijn alsof het niet meer mogelijk zou zijn om de slingers afzonderlijk te herkennen - elke slinger zou informatie over alle andere bevatten. Alle slingers zouden zich daarom samen als één object gedragen, een kwantumobject. "Klassieke synchronisatie is het 'rokende pistool' voor de vorming van kwantummechanische verstrengeling, " zegt Dirk Witthaut, hoofdauteur van de studie, "en dit is buitengewoon verrassend."

Deze bevinding werpt nieuw licht op het fascinerende fenomeen verstrengeling. Verstrengelde systemen worden al tientallen jaren routinematig geproduceerd in veel natuurkundige laboratoria. De nieuwe resultaten zijn niet alleen belangrijk voor fundamenteel onderzoek. Het onderzoeksveld van kwantuminformatie werkt al geruime tijd aan het gebruik van verstrengeling als technische hulpbron, of het nu in kwantumcomputers van de toekomst is of in de foutvrije overdracht van informatie. Het nu gepubliceerde artikel van het Duits-Italiaanse samenwerkingsverband doet ook concrete voorstellen hoe de zelfgeorganiseerde synchronisatie van een kwantumcollectief in het laboratorium kan worden gedetecteerd. Het wordt dan ook boeiend om te zien in welke vorm het fenomeen echt opduikt en hoe het nieuwe onderzoekslijnen inspireert.

Voor Marc Timme, dit artikel is ook een bewijs van hoe belangrijk de samenwerking tussen verschillende disciplines is bij het doen van dergelijke ongewone ontdekkingen. Zelf is hij expert op het gebied van de dynamiek van klassieke zelforganiserende systemen en synchronisatie in het bijzonder. Zijn onderzoeksgebieden staan ​​bekend als "niet-lineaire dynamiek" en "netwerkdynamiek", waarvan de eerste ook algemeen bekend staat als "chaostheorie". Dirk Witthaut daarentegen komt uit de kwantumfysica. Alleen de intense samenwerking van de twee stromingen in de natuurkunde leidde tot de ontdekking dat klassieke synchronisatie in de kwantumwereld iets te maken heeft met kwantummechanische verstrengeling. "Het is vaak erg moeilijk om met name dergelijke interdisciplinaire projecten te financieren en uit te voeren, omdat ze niet kunnen worden toegewezen aan een van de traditionele disciplines, ", zegt Timme. Het succes in Göttingen was alleen mogelijk omdat de Max Planck Society dit interdisciplinaire onderzoek op de lange termijn en als puur onderzoek zonder een vooraf bepaald doel ondersteunde.