Comme par magie, des horloges à pendule apparemment indépendantes peuvent se réunir pour tic tac simultanément et en synchronisation. Le phénomène de "synchronisation auto-organisée" se produit fréquemment dans la nature et l'ingénierie et est l'un des domaines de recherche clés de l'équipe de Marc Timme à l'Institut Max Planck pour la dynamique et l'auto-organisation. Les physiciens de Göttingen font partie d'une collaboration germano-italienne qui vient de publier une découverte étonnante dans Communication Nature :même les systèmes quantiques peuvent se synchroniser par auto-organisation, sans aucun contrôle externe. Cette synchronisation se manifeste dans la propriété la plus étrange du monde quantique – l'intrication.

En 1665, le chercheur néerlandais Christiaan Huygens (1629-1695) travaillait sur une nouvelle horloge pour les navires. À l'époque, les horloges à pendule étaient à la pointe de la technologie, et un pendule de forme spéciale était destiné à répondre avec moins de sensibilité au balancement des navires. Les horloges de navire fonctionnant aussi précisément que possible étaient la clé pour déterminer avec précision la longitude. Pour la protection, Huygens avait construit deux de ses horloges à pendule dans un boîtier lourd, qui a été suspendu de telle sorte qu'il devrait largement compenser le balancement du navire. Il découvre alors un phénomène surprenant :bien que les horloges fonctionnent indépendamment les unes des autres et ne subissent aucune influence extérieure, leurs pendules oscillaient en synchronisme précis au plus tard une demi-heure après chaque redémarrage.

Huygens supposait déjà à l'époque que les deux pendules se synchronisaient via de minuscules "mouvements imperceptibles" dans la suspension conjointe des deux horloges. Sa supposition était correcte, comme les physiciens ont pu le démontrer plus tard pour de tels systèmes oscillants. "On peut observer de telles horloges ainsi que de nombreux autres objets oscillants se synchroniser entre eux même en l'absence de toute influence extérieure, " explique Marc Timme, physicien théoricien à l'Institut Max Planck pour la dynamique et l'auto-organisation à Göttingen. Le professeur dirige un Groupe de Recherche qui étudie la dynamique des réseaux et des analyses, par exemple, le comportement des réseaux électriques.

Une suspension articulaire provoque la synchronisation des pendules

La synchronisation auto-organisée d'oscillateurs apparemment indépendants à une fréquence peut être observée dans de nombreux systèmes dans la nature et l'ingénierie. Le préalable est souvent un couplage "caché", comme via la suspension commune pour les horloges à pendule. Des scientifiques comme Timme appellent également cela un comportement de verrouillage, avec tous les oscillateurs impliqués se synchroniser à une fréquence précise et y rester ensuite piégés. Cela fonctionne également avec les balançoires pour enfants suspendues à une poutre commune. S'ils sont poussés à partir de positions de départ différentes, ils peuvent se synchroniser sur une seule fréquence à un moment donné.

Les exemples ne sont pas limités aux seules oscillations mécaniques. "La synchronisation se produit également pour de nombreux réseaux biologiques différents, " explique Timme " Le phénomène se produit par exemple dans le cerveau lorsque les impulsions nerveuses se synchronisent. " Cette synchronisation des ondes cérébrales dans certaines zones semble être importante pour le fonctionnement de notre organe pensant. Mais elle peut aussi aller trop loin. " A grande échelle. , une synchronisation étendue des ondes cérébrales dans le cerveau est caractéristique de l'épilepsie, " dit Timme.

Les objets quantiques se synchronisent sans aucune influence extérieure

Tous ces phénomènes d'ordonnancement auto-organisés sont basés sur les principes fondamentaux du monde classique – non quantique. Cependant, une collaboration de recherche germano-italienne a maintenant découvert l'émergence d'une synchronisation même pour les systèmes quantiques purs. Cette collaboration a été initiée par Marc Timme avec son ancien post-doctorant Dirk Witthaut, qui dirige entre-temps un groupe de recherche indépendant au Forschungszentrum Jülich. Le nouveau travail conceptuel a maintenant été publié dans le célèbre Communication Nature journal. Dans la parution, les scientifiques démontrent pour la première fois que des systèmes isolés comprenant un grand nombre d'objets quantiques, comme les atomes d'un condensat de Bose-Einstein qui est piégé dans un réseau optique, par exemple, peut se synchroniser d'une manière très similaire aux systèmes classiques de la physique.

Dans un condensat de Bose-Einstein, dont la réalisation expérimentale a été récompensée par le prix Nobel de physique en 2001, plusieurs atomes se comportent comme un seul objet quantique, des atomes individuels peuvent néanmoins être piégés dans un réseau optique. De telles grilles sont construites à partir du potentiel électromagnétique de faisceaux laser croisés et ressemblent à une boîte à œufs faite de lumière, dans lequel les atomes sont dispersés. Les particules quantiques peuvent se synchroniser dans la boîte sans aucune influence extérieure, ce qui signifie qu'ils sont également auto-organisés. "C'est la principale nouvelle de notre article, " dit Timme.

Ces systèmes quantiques oscillants peuvent être imaginés comme de nombreuses horloges à pendule de Huygens. Ces horloges étaient couplées entre elles via un faisceau, d'où ils sont tous suspendus. En conséquence, leurs pendules oscillent de manière synchrone après un certain temps. Les systèmes quantiques se synchronisent de la même manière en interagissant les uns avec les autres. Cette transition auto-organisée vers un collectif synchronisé est en complète correspondance avec la physique classique.

Les objets quantiques synchronisés sont enchevêtrés

Mais quelque chose de plus se passe dans le monde quantique – un état quantique collectif se forme. Cet état quantique représente l'incertitude de la mécanique quantique en tant que telle :l'intrication. Les systèmes quantiques qui s'entremêlent ne peuvent plus être décrits indépendamment les uns des autres. Dans notre exemple des horloges, ce serait à peu près comme s'il n'était plus possible de reconnaître les pendules individuellement – ​​chaque pendule contiendrait des informations sur tous les autres. Tous les pendules se comporteraient donc ensemble comme un seul objet, un objet quantique. "La synchronisation classique est le 'pistolet fumant' pour la formation de l'intrication mécanique quantique, " dit Dirk Witthaut, auteur principal de l'étude, "et c'est extrêmement surprenant."

Cette découverte jette un nouvel éclairage sur le phénomène fascinant de l'intrication. Des systèmes intriqués sont régulièrement produits dans de nombreux laboratoires de physique depuis des décennies. Les nouveaux résultats ne sont pas seulement importants pour la recherche fondamentale. Depuis quelque temps, le domaine de la recherche en information quantique travaille sur l'utilisation de l'intrication comme ressource technique, que ce soit dans les ordinateurs quantiques du futur ou dans la transmission d'informations à l'épreuve des erreurs. L'article désormais publié par la collaboration germano-italienne fait également des propositions concrètes sur la manière dont la synchronisation auto-organisée d'un collectif quantique peut être détectée en laboratoire. Il sera donc fascinant de voir sous quelle forme le phénomène se manifeste réellement et comment il inspire de nouvelles pistes de recherche.

Pour Marc Timme, cet article est également la preuve de l'importance de la collaboration entre différentes disciplines pour faire des découvertes aussi inhabituelles. Il est lui-même un expert de la dynamique des systèmes auto-organisés classiques et de la synchronisation en particulier. Ses domaines de recherche sont appelés "dynamique non linéaire" et "dynamique des réseaux", dont la première est également devenue largement connue sous le nom de "théorie du chaos". Dirk Witthaut vient en revanche du domaine de la physique quantique. Seule l'intense collaboration des deux écoles de pensée en physique a conduit à la découverte que la synchronisation classique dans le monde quantique a quelque chose à voir avec l'intrication mécanique quantique. « Il est souvent très difficile de financer et de réaliser de tels projets interdisciplinaires notamment, car ils ne peuvent être affectés à aucune des disciplines traditionnelles, " dit Timme. Le succès à Göttingen n'a été possible que parce que la Société Max Planck a soutenu cette recherche interdisciplinaire à long terme et en tant que recherche pure sans objectif prédéfini.