Спустя чуть более 200 лет после того, как французский инженер и физик Сади Карно сформулировал второй закон термодинамики, международная группа исследователей представила аналогичный закон для квантового мира. Этот второй закон управления запутанностью доказывает, что, подобно теплу или энергии в идеализированном термодинамическом режиме, с запутанностью можно управлять обратимо — утверждение, которое до сих пор активно оспаривалось.
Новое исследование углубляет понимание основных свойств запутанности
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 — центральная особенность квантовой механики. Если две микроскопические частицы запутаны, то измерение квантового свойства одной из них автоматически влияет на состояние её партнёра, даже если они разделены огромными расстояниями.
Запутанность была введена около 90 лет назад как доказательство абсурдности квантовой теории, если рассматривать её как полное описание природы. Однако сегодня это понятие не считается абсурдным.
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, коммуникации и точных измерениях.
Параллели с термодинамикой
Исследователи обнаружили поразительные параллели между теориями квантовой запутанности и термодинамики. Например, «энтропия запутанности» — характеристика идеализированных, бесшумных квантовых систем, которая имитирует роль термодинамической энтропии.
Однако эквивалент второго закона термодинамики, который гласит, что процессы стремятся к увеличению беспорядка (упомянутой энтропии) и что идеальная обратимость — это достижимый, хотя и редкий и высокоэффективный идеал, оставался недостижимым.
Батарея запутанности
«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».
Команда продемонстрировала, что любая трансформация смешанных состояний запутанности может быть сделана идеально обратимой, если Алиса и Боб совместно используют дополнительную запутанную систему — батарею запутанности.
Подобно тому как обычная батарея накапливает энергию, которая может быть использована для выполнения работы в контексте термодинамики, батарея запутанности накапливает и вводит запутанность. Батарею можно использовать в процессе преобразования состояния, и само состояние батареи можно изменять для выполнения операций. Есть только одно правило: что бы ни делали Алиса и Боб, они не должны снижать уровень запутанности внутри батареи.
Это достижение является значительным вкладом в дискуссию 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 смешанных состояний запутанности, что позволяет им использовать батарею запутанности для проверки обратимости в различных сценариях.
Доказательство того, что манипуляции с запутанностью во всех квантовых состояниях обратимы, как ожидается, приведёт к появлению семейства вторых законов для управления запутанностью.
Батарея запутанности может даже найти применение за пределами теории запутанности. Например, те же принципы применимы к системам, включающим более двух запутанных частиц, открывая путь для понимания и управления сложными квантовыми сетями и, возможно, разработки будущих высокоэффективных квантовых технологий.
Предоставлено Университетом Варшавы.