Международная группа исследователей более чем через 200 лет после того, как французский инженер и физик Сади Карно сформулировал второй закон термодинамики, открыла аналогичный закон для квантового мира. Этот второй закон управления запутанностью доказывает, что, подобно теплу или энергии в идеализированном термодинамическом режиме, запутанностью можно управлять обратимо. Это утверждение до сих пор активно оспаривалось.
Новое исследование
Новое исследование, опубликованное 2 июля 2025 года в журнале Physical Review Letters, углубляет понимание основных свойств запутанности и даёт фундаментальное представление о том, как эффективно управлять запутанностью и другими квантовыми явлениями на практике.
Запутанность
Запутанность — это, пожалуй, центральная особенность квантовой механики. Если две микроскопические частицы считаются запутанными, то при измерении квантового свойства одной из частиц и повторении измерения на её запутанном партнёре всегда обнаруживается, что пара коррелирована, даже когда две частицы разделены огромными расстояниями. Поэтому знание состояния одной частицы автоматически даёт информацию о другой.
Запутанность была введена около 90 лет назад как доказательство абсурдности квантовой теории, если рассматривать её как полное описание природы. Однако сегодня это не считается абсурдным.
Значение запутанности
После исчерпывающих доказательств подлинности запутанности в реальном мире она стала ключевым ресурсом в теории квантовой информации, позволяя осуществлять квантовую телепортацию и квантовую криптографию, а также предлагая значительные преимущества в квантовых вычислениях, связи и точных измерениях.
Хотя запутанность всё ещё кажется противоречащей нашему жизненному опыту, исследователи обнаружили поразительные параллели с чем-то более привычным: термодинамикой. На самом деле между теориями квантовой запутанности и термодинамики выявилось много общего. Например, «энтропия запутанности» — это характеристика идеализированных, бесшумных квантовых систем, которая имитирует роль термодинамической энтропии.
Однако эквивалент второго закона термодинамики, который гласит, что процессы имеют тенденцию к увеличению беспорядка (вышеупомянутая энтропия) и что идеальная обратимость является достижимой, хотя и редкой и высокоэффективной идеей, оставался упорно недостижимым. Здесь обратимость относится не к симметрии времени, а к способности внешнего агента манипулировать системой в другом состоянии, а затем вернуть её в исходное состояние без каких-либо потерь.
Второй закон для управления запутанностью
«Нахождение второго закона, аналогичного второму закону термодинамики, было открытой проблемой в науке о квантовой информации», — говорит соавтор исследования Тулджа Варун Кондра. «Решение этой проблемы было нашей основной мотивацией».
Ограничения и возможности
Большая часть работы над этой проблемой была сосредоточена на сценарии, в котором две удалённые стороны (часто называемые Алисой и Бобом) хотят обмениваться квантовой информацией, но ограничены действиями локально над своими квантовыми системами и классической связью, например, по телефону или через интернет. Это ограничение локальных операций и классической связи (LOCC) упрощает ситуацию, поскольку Алиса и Боб не могут повлиять на изначально нелокальные свойства запутанности между своими квантовыми системами.
«Известно, что при операциях LOCC в этом сценарии запутанность необратима», — объясняет старший автор исследования Александр Стрельцов. «Поэтому вопрос в том, можем ли мы как-то выйти за рамки LOCC осмысленным образом и восстановить обратимость?» Ответ команды — «да», если Алиса и Боб совместно используют дополнительную запутанную систему: батарею запутывания.
Батарея запутывания
Подобно тому как обычная батарея хранит энергию, которую можно использовать для ввода или хранения работы в контексте термодинамики, батарея запутывания вводит и хранит запутанность. Батарею можно использовать в процессе преобразования состояния, и само состояние батареи можно изменить для выполнения операций. Есть только одно правило: что бы ни делали Алиса и Боб, они не должны снижать уровень запутанности внутри батареи.
И так же, как обычная батарея позволяет выполнять задачи, которые были бы невозможны без неё, так и батарея запутывания. Оказывая помощь стандартным операциям LOCC с помощью своей гипотетической батареи запутывания, команда продемонстрировала, что любая трансформация запутанности смешанного состояния может быть сделана идеально обратимой.
Это достижение является значительным вкладом в дебаты о том, является ли манипулирование запутанностью в целом обратимым. Но более важным результатом этой работы является то, что исследователи показали, что разработанные ими методы применимы не только к преобразованию запутанности смешанного состояния, что позволяет им использовать батарею запутывания для проверки обратимости в различных сценариях.
Доказательство того, что манипуляции с запутанностью во всех квантовых состояниях обратимы, как ожидается, приведёт к созданию семейства вторых законов для управления запутанностью. Батарея запутывания может даже найти применение за пределами теории запутанности. Например, те же принципы применимы к системам, включающим более двух запутанных частиц, открывая путь к пониманию и управлению сложными квантовыми сетями и, возможно, к разработке будущих высокоэффективных квантовых технологий.
Ресурсная батарея
Обобщение концепции батареи запутывания до ресурсной батареи — дополнительной квантовой системы, которая участвует в процессе преобразования, не уменьшая рассматриваемый ресурс, — может позволить систематически демонстрировать обратимость в квантовой физике на основе минимального набора предположений.
«У нас может быть батарея, которая должна сохранять когерентность или свободную энергию, и тогда мы сможем сформулировать обратимую структуру в этих условиях, где вместо запутанности мы обратимо манипулируем этим конкретным ресурсом нашей системы», — говорит Стрельцов. «Хотя многие из этих других принципов обратимости уже были подтверждены с помощью других подходов, наш метод предлагает единую систему доказательств, основанную на хорошо установленных физических принципах».
Предоставлено Университетом Варшавы.