Los sistemas cuánticos se sincronizan... solos

Los sistemas cuánticos se sincronizan a través de la auto-organización Los objetos cuánticos se sincronizan sin ninguna influencia externa A la izquierda, los péndulos no oscilan en sincronización; A la derecha, se han organizado a una oscilación sincronizada. Con los sistemas cuánticos, tal sincronización clásica puede ser la "pistola humeante" para el enlace. Esta predicción de la colaboración germano-italiana que trabaja con Marc Timme y Dirk Witthaut se puede comprobar en el laboratorio. Mayo 19, de 2017 Un estudio recientemente publicado del Instituto Max Planck muestra que los sistemas cuánticos pueden sincronizarse a través de la auto-organización, sin ningún control externo. Como por arte de magia, relojes de péndulo aparentemente independientes pueden unirse para marcar simultáneamente y en sincronía. El fenómeno de la "sincronización auto-organizada" 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 para la dinámica y la auto-organización. Los físicos de Göttingen forman parte de una colaboración germano-italiana que ha publicado un sorprendente descubrimiento en "Nature Communications": incluso los sistemas cuánticos pueden sincronizarse a través de la auto-organización, sin ningún control externo. Esta sincronización se manifiesta en la propiedad más extraña del enlace del mundo cuántico. En 1665, el investigador holandés Christiaan Huygens (1629-1695) estaba trabajando en un reloj novedoso para buques. En ese momento, los relojes de péndulo eran el estado de la técnica, y un péndulo de forma especial tenía la intención de responder con menos sensibilidad al balanceo de los barcos. Los relojes de buque que trabajan con la mayor precisión posible fueron la clave para determinar la longitud exacta. Para protección, Huygens había construido dos de sus relojes de péndulo en una cubierta pesada, que fue suspendida de tal manera que compensaría en gran parte el balanceo del barco. A continuación, descubrió un fenómeno sorprendente: Aunque los relojes corrían independientemente entre sí y no estaban sujetos a ninguna influencia externa, sus péndulos se balanceaban en sincronía precisa dentro de casi media hora después de cada reinicio. Huygens supuso entonces que los dos péndulos se sincronizaban a través de pequeños "movimientos imperceptibles" en la suspensión conjunta de los dos relojes. Su conjetura era correcta, como los físicos fueron más tarde capaces de demostrar 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 para la Dinámica y la Auto-Organización en Göttingen. El profesor dirige un Grupo de Investigación que estudia la dinámica de las redes y analiza, por ejemplo, el comportamiento de las redes eléctricas. Una suspensión conjunta hace que los péndulos se sincronicen La sincronización auto-organizada de osciladores aparentemente independientes a una frecuencia se puede observar en muchos sistemas en naturaleza e ingeniería. El prerrequisito es a menudo un acoplamiento "oculto", como vía la suspensión de la junta para los relojes de péndulo. Científicos como Timme también llaman a esto un comportamiento de bloqueo, con todos los osciladores involucrados sincronizando a una frecuencia y luego quedando atrapados en ella. Esto funciona realmente con los columpios de los niños suspendidos de una viga común también. Si se empujan desde diferentes posiciones de partida, pueden sincronizarse a una sola frecuencia en algún momento. Los ejemplos no se limitan solamente a oscilaciones mecánicas. "La sincronización también ocurre en muchas redes biológicas diferentes", explicó Timme. "El fenómeno ocurre por ejemplo en el cerebro cuando los impulsos nerviosos se sincronizan". Esta sincronización de ondas cerebrales en ciertas áreas parece ser importante para el funcionamiento de nuestro órgano pensante. Pero también puede lograr demasiado. "La sincronización extensa y 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 ordenadores auto-organizados se basan en los fundamentos del mundo clásico no cuántico. Sin embargo, una colaboración de investigación germano-italiana ha descubierto ahora la sincronización emergiendo incluso para los sistemas cuánticos puros. Esta colaboración fue iniciada por Marc Timme junto con su ex postdoctoral Dirk Witthaut, quien entretanto dirige un grupo de investigación independiente en el Forschungszentrum Jülich. El nuevo trabajo conceptualmente ha sido publicado en la revista Nature Communications. 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 están atrapados en una red óptica, por ejemplo, pueden sincronizarse de una manera muy similar a los sistemas clásicos de la física. En un condensado de Bose-Einstein, cuya realización experimental fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2001, varios átomos se comportan como un solo objeto cuántico, los átomos individuales pueden ser atrapados en una red óptica. Estas rejillas están construidas a partir del potencial electromagnético de los rayos láser cruzados y se asemejan a una caja de huevos hecha de luz, en la que los átomos se extienden. Las partículas cuánticas pueden sincronizarse en la caja sin ninguna influencia externa, lo que significa que también son auto-organizadas. "Esta es la principal noticia de nuestro artículo", dijo Timme. Estos sistemas cuánticos oscilantes pueden imaginarse como muchos relojes de péndulo de Huygens. Estos relojes fueron acoplados entre sí a través de una viga, de la cual están todos suspendidos. En consecuencia, sus péndulos oscilan de forma sincrónica después de algún tiempo. Los sistemas cuánticos se sincronizan de la misma manera interactuando entre sí. Esta transición auto-organizada a un colectivo sincronizado está en completa correspondencia con la física clásica. Los objetos cuánticos sincronizados están enredados 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: el enlace. Los sistemas cuánticos que están enlazados entre sí ya no pueden describirse independientemente entre sí. 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 lo tanto, todos los péndulos se comportarían juntos como un objeto, un objeto cuántico. "La sincronización clásica es el 'arma humeante' para la formación del enlace mecánico cuántico", dijo Dirk Witthaut, autor principal del estudio, "y esto es extremadamente sorprendente". Este hallazgo arroja nueva luz sobre el fascinante fenómeno del enlace. Los sistemas enlazados se han producido rutinariamente en muchos laboratorios de la física por décadas. Los nuevos resultados no son sólo importantes para la investigación básica. Desde hace algún tiempo el campo de la investigación de información cuántica ha estado trabajando en el uso del enredo como un recurso técnico, ya sea en 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 la sincronización auto-organizada de un colectivo cuántico puede ser detectada en el laboratorio. Por lo tanto, será fascinante ver en qué forma el fenómeno realmente aparece y cómo inspira nuevas líneas de investigación. Para Marc Timme, este documento es también una prueba de cuán importante es la colaboración entre las diferentes disciplinas en la realización de descubrimientos tan inusuales. Él mismo es un experto en la dinámica de los sistemas clásicos de auto-organización y la sincronización en particular. Sus campos de investigación son conocidos como "dinámica no lineal" y "dinámica de la red", la primera de las cuales también se ha conocido como "teoría del caos". Dirk Witthaut en contraste proviene del área de la física cuántica. Sólo 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 enlace mecánico cuántico. "A menudo es muy difícil financiar y llevar a cabo proyectos interdisciplinarios en particular, porque no pueden ser asignados a ninguna de las disciplinas tradicionales", dice Timme. El éxito en Göttingen sólo fue posible porque la Sociedad Max Planck apoyó esta investigación interdisciplinaria a largo plazo y como investigación pura sin un objetivo predefinido. Publicación original: Dirk Witthaut, et al., “Classical synchronization indicates persistent entanglement in isolated quantum systems,” Nature Communications 8, Article number: 14829 (2017); doi:10.1038/ncomms14829 Fuente: Max Planck Institute With a little help from Google Translate