Come per magia, orologi a pendolo apparentemente indipendenti possono unirsi per ticchettare simultaneamente e in sincronia. Il fenomeno della "sincronizzazione auto-organizzata" si verifica frequentemente in natura e in ingegneria ed è uno dei campi di ricerca chiave del team di Marc Timme presso il Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization. I fisici di Göttingen fanno parte di una collaborazione italo-tedesca che ha ora pubblicato una sorprendente scoperta in Comunicazioni sulla natura :anche i sistemi quantistici possono sincronizzarsi attraverso l'auto-organizzazione, senza alcun controllo esterno. Questa sincronizzazione si manifesta nella proprietà più strana del mondo quantistico:l'entanglement.

Nel 1665, il ricercatore olandese Christiaan Huygens (1629-1695) stava lavorando a un nuovo orologio per navi. Al tempo, gli orologi a pendolo erano lo stato dell'arte, e un pendolo di forma speciale doveva rispondere meno sensibilmente al dondolio delle navi. Gli orologi della nave che funzionavano nel modo più preciso possibile erano la chiave per determinare con precisione la longitudine. Per protezione, Huygens aveva costruito due dei suoi orologi a pendolo in un alloggiamento pesante, che è stato sospeso in modo tale da compensare in gran parte il dondolio della nave. Scoprì quindi un fenomeno sorprendente:sebbene gli orologi funzionassero indipendentemente l'uno dall'altro e non fossero soggetti ad alcuna influenza esterna, i loro pendoli oscillavano in sincronia precisa al massimo mezz'ora dopo ogni riavvio.

Già allora Huygens ipotizzò che i due pendoli si sincronizzassero tramite minuscoli "movimenti impercettibili" nella sospensione congiunta dei due orologi. La sua ipotesi era corretta, come i fisici furono in seguito in grado di dimostrare per tali sistemi oscillanti. "Si possono osservare tali orologi così come molti altri oggetti oscillanti per sincronizzarsi tra loro anche in assenza di qualsiasi influenza esterna, " spiega Marc Timme, fisico teorico presso il Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization di Göttingen. Il professore è a capo di un gruppo di ricerca che studia le dinamiche delle reti e analizza, Per esempio, il comportamento delle reti elettriche.

Una sospensione articolare provoca la sincronizzazione dei pendoli

La sincronizzazione auto-organizzata di oscillatori apparentemente indipendenti su una frequenza può essere osservata in molti sistemi in natura e in ingegneria. Il presupposto è spesso un accoppiamento "nascosto", come tramite la sospensione congiunta per gli orologi a pendolo. Scienziati come Timme lo chiamano anche un comportamento di blocco, con tutti gli oscillatori coinvolti che si sincronizzano esattamente su una frequenza e poi rimangono intrappolati in essa. Funziona anche con le altalene per bambini sospese a una trave articolata. Se vengono spinti fuori da diverse posizioni di partenza, possono sincronizzarsi su una singola frequenza ad un certo punto.

Gli esempi non si limitano solo alle oscillazioni meccaniche. "La sincronizzazione avviene anche per molte reti biologiche differenti, " spiega Timme "Il fenomeno per esempio si verifica nel cervello quando gli impulsi nervosi si sincronizzano". Questa sincronizzazione delle onde cerebrali in certe aree sembra essere importante per il funzionamento del nostro organo pensante. Ma può anche ottenere troppo. "Su larga scala , un'ampia sincronizzazione delle onde cerebrali nel cervello è caratteristica dell'epilessia, "dice Timo.

Gli oggetti quantistici si sincronizzano senza alcuna influenza esterna

Tutti questi fenomeni di ordinamento auto-organizzati si basano sui fondamenti del mondo classico non quantistico. Però, una collaborazione di ricerca italo-tedesca ha ora scoperto la sincronizzazione emergente anche per i sistemi quantistici puri. Questa collaborazione è stata avviata da Marc Timme insieme al suo ex postdoc Dirk Witthaut, che nel frattempo dirige un gruppo di ricerca indipendente presso il Forschungszentrum Jülich. Il lavoro concettualmente nuovo è stato ora pubblicato nella rinomata Comunicazioni sulla natura rivista. Nella pubblicazione, gli scienziati dimostrano per la prima volta che i sistemi isolati che comprendono un gran numero di oggetti quantistici, come gli atomi di un condensato di Bose-Einstein che è intrappolato in un reticolo ottico, Per esempio, possono sincronizzarsi in modo molto simile ai sistemi fisici classici.

In un condensato di Bose-Einstein, la cui realizzazione sperimentale è stata insignita del Premio Nobel per la fisica nel 2001, diversi atomi si comportano come un singolo oggetto quantistico, i singoli atomi possono tuttavia essere intrappolati in un reticolo ottico. Tali griglie sono costruite dal potenziale elettromagnetico di raggi laser incrociati e assomigliano a una scatola di uova fatta di luce, in cui gli atomi sono sparsi. Le particelle quantistiche possono sincronizzarsi nella scatola senza alcuna influenza esterna di sorta, nel senso che sono ugualmente auto-organizzati. "Questa è la notizia principale del nostro articolo, "dice Timo.

Questi sistemi quantistici oscillanti possono essere immaginati come molti orologi a pendolo di Huygens. Questi orologi erano accoppiati tra loro tramite un raggio, da cui sono tutti sospesi. Conseguentemente, i loro pendoli oscillano in modo sincrono dopo un po' di tempo. I sistemi quantistici si sincronizzano allo stesso modo interagendo tra loro. Questa transizione auto-organizzata verso un collettivo sincronizzato è in completa corrispondenza con la fisica classica.

Gli oggetti quantistici sincronizzati sono entangled

Ma qualcosa di più accade nel mondo quantistico:si forma uno stato quantistico collettivo. Questo stato quantistico rappresenta l'incertezza della meccanica quantistica in quanto tale:l'entanglement. I sistemi quantistici che sono intrecciati tra loro non possono più essere descritti indipendentemente l'uno dall'altro. Nel nostro esempio degli orologi questo sarebbe grosso modo come se non fosse più possibile riconoscere i pendoli singolarmente:ogni pendolo conterrebbe informazioni su tutti gli altri. Tutti i pendoli si comporteranno quindi insieme come un unico oggetto, un oggetto quantistico. "La sincronizzazione classica è la 'pistola fumante' per la formazione dell'entanglement meccanico quantistico, "dice Dirk Witthaut, autore principale dello studio, "e questo è estremamente sorprendente."

Questa scoperta getta nuova luce sull'affascinante fenomeno dell'entanglement. I sistemi entangled sono stati prodotti di routine in molti laboratori di fisica per decenni. I nuovi risultati non sono importanti solo per la ricerca di base. Da qualche tempo il campo della ricerca sull'informazione quantistica sta lavorando sull'utilizzo dell'entanglement come risorsa tecnica, sia nei computer quantistici del futuro sia nella trasmissione di informazioni a prova di errore. L'articolo ora pubblicato dalla collaborazione italo-tedesca fa anche proposte concrete su come rilevare in laboratorio la sincronizzazione auto-organizzata di un collettivo quantistico. Sarà quindi affascinante vedere in quale forma si manifesta realmente il fenomeno e come ispira nuove linee di ricerca.

Per Marc Timme, questo articolo è anche la prova di quanto sia importante la collaborazione tra diverse discipline nel fare scoperte così insolite. Egli stesso è un esperto delle dinamiche dei sistemi auto-organizzanti classici e della sincronizzazione in particolare. I suoi campi di ricerca sono conosciuti come "dinamica non lineare" e "dinamica di rete", il primo dei quali è anche diventato ampiamente noto come "teoria del caos". Dirk Witthaut, al contrario, proviene dall'area della fisica quantistica. Solo l'intensa collaborazione delle due scuole di pensiero in fisica ha portato alla scoperta che la sincronizzazione classica nel mondo quantistico ha qualcosa a che fare con l'entanglement quantomeccanico. "Spesso è molto difficile finanziare e realizzare in particolare tali progetti interdisciplinari, perché non possono essere assegnati a nessuna delle discipline tradizionali, " dice Timme. Il successo a Göttingen è stato possibile solo perché la Max Planck Society ha sostenuto questa ricerca interdisciplinare a lungo termine e come pura ricerca senza un obiettivo predefinito.