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Synchronisationseffekte in der Quantenwelt

Jülich, 12. April 2017 – Ein deutsch-italienisches Forscher-Team unter Führung des Jülicher Physikers Dirk Witthaut konnte einen direkten Zusammenhang zwischen klassischer Synchronisation und Quantenverschränkung nachweisen. Die Wissenschaftler untersuchten eine bestimmte Art von gekoppelten Quantensystemen, die in Experimenten mit Bose-Einstein-Kondensaten realisiert werden können. Dabei kombinierten sie die klassische Theorie der Synchronisation mit Simulationen von Quantendynamik – und konnten zeigen, dass klassische Synchronisation das Entstehen von verschränkten Quantenzuständen vorhersagt. Die Ergebnisse der Studie wurden heute in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Das Verständnis dynamischer Gruppenphänomene ist seit langem eine Herausforderung für die Physik. Wie kollektive Phänomene in klassischen und Quantenwelten verknüpft sind, ist noch immer weitgehend unverstanden. Synchronisation – die Verknüpfung von Zuständen von gekoppelten Messgrößen – ist eine der grundlegenden Gruppendynamiken in klassischen Systemen der Physik, Chemie und Biologie. Verschränkung dagegen ist ein rein quantenmechanisches Phänomen in Vielkörper-Quantensystemen.

Phasenübergänge im Kuramoto-Modell und einem kontrollierten Vielteilchen-QuantensystemOben: Das Kuramoto-Modell gekoppelter Oszillatoren ist ein ikonographisches Modell für einen dynamischen Phasenübergang in der klassischen Physik. Bei schwacher Kopplung ist die Bewegung der Oszillatoren inkohärent (links). Eine starke Kopplung führt zur Synchronisation: Alle Oszillatoren bewegen sich im Gleichtakt. Unten: Der gleiche Phasenübergang manifestiert sich in einem kontrollierten Vielteilchen-Quantensystem. Die Phasenwinkel eines homogenen Bose-Einstein-Kondensats entwickeln sich genau wie die Phasen der klassischen Kuramoto-Oszillatoren. Synchronisation macht diesen Zustand instabil. Verschränkte Fluktuationen der Teilchenzahl wachsen rasant und es entsteht ein stark-korrelierter Quantenzustand.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Dirk Witthaut

Originalveröffentlichung: Classical synchronization indicates persistent entanglement in isolated quantum systems,
Dirk Witthaut, Sandro Wimberger, Raffaella Burioni, Marc Timme
Nature Communications, published 12. April, DOI: 10.1038/NCOMMS14829

Ansprechpartner:

Dr. Dirk Witthaut
Institut für Energie- und Klimaforschung
Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE)
Tel.: 02461 61-3397
E-Mail: d.witthaut@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Pressereferentin
Tel.: 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de


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