Nieco ponad 200 lat po tym, jak francuski inżynier i fizyk Sadi Carnot sformułował drugie prawo termodynamiki, międzynarodowy zespół naukowców zaprezentował analogiczne prawo dla świata kwantowego. To drugie prawo manipulacji uwikłaniem dowodzi, że podobnie jak ciepło lub energia w wyidealizowanym systemie termodynamiki, splątanie może być odwracalnie manipulowane, co do tej pory było mocno kwestionowane. Nowe badania – opublikowane 2 lipca 2025 r. W fizycznych literach przeglądowych – pogłębia zrozumienie podstawowych nieruchomości uwikłania i zapewnia kluczowy fundamentalny wgląd w sposób skutecznego manipulowania uwikłaniem i innymi zjawiskami kwantowymi w praktyce.
Zaplątanie jest prawdopodobnie centralną cechą mechaniki kwantowej. Jeśli mówi się, że dwie mikroskopijne cząstki są splątane, to jeśli ktoś mierzy właściwość kwantową jednej z cząstek, a następnie powtarza pomiar u splątanego partnera, zawsze okaże się, że para jest skorelowana, nawet gdy dwie cząsteczki są rozdzielone rozległymi odległościami. Dlatego znajomość stanu jednej cząstki automatycznie dostarcza informacji o drugiej. Zaplątanie zostało wprowadzone około 90 lat temu jako dowód absurdalności teorii kwantowej, jeśli jest traktowany jako pełny opis natury. Jednak nie jest to dziś uważane za absurdalne. Po wyczerpujących dowodach autentyczności uwikłania w świecie rzeczywistym, jest to teraz kluczowe zasoby w teorii informacji kwantowej, umożliwiającym teleportację kwantową i kryptografię kwantową oraz oferując znaczące zalety w zakresie obliczeń kwantowych, komunikacji i precyzyjnych pomiarów.
Chociaż splątanie nadal wydaje się sprzeczne z naszym doświadczeniem na świecie, naukowcy odkryli uderzające podobieństwa z czymś znacznie bardziej znanym: termodynamiką. W rzeczywistości pojawiło się wiele podobieństw między teoriami splątania kwantowego i termodynamiki. Na przykład „entropia splątania” jest cechą wyidealizowanych, beztłuszczowych systemów kwantowych, które naśladują rolę entropii termodynamicznej.
Jednak równoważny z drugim prawem termodynamiki – który decyduje o tym, że procesy mają tendencję do zwiększania zaburzenia (wspomnianej entropii) i ta doskonała odwracalność jest osiągalna, choć rzadka i wysoce wydajna idealna – pozostała uparcie poza zasięgiem. Tutaj odwracalność nie odnosi się do symetrii czasowej, ale zdolności zewnętrznego agenta do manipulowania systemem do innego stanu, a następnie manipulowania go z powrotem do stanu początkowego bez żadnej straty. „Znalezienie drugiego prawa analogicznego do drugiego prawa termodynamiki było otwartym problemem w zakresie informatyki kwantowej”, mówi współautorka badania Tulja Varun Kondra. „Rozwiązanie tego było naszą główną motywacją”.
Wiele prac na temat rozwiązania tego problemu koncentrowało się na scenariuszu, w którym dwie odległe strony (często nazywane Alice i Bob) chcą wymieniać informacje kwantowe, ale są ograniczone do działania lokalnie w swoich systemach kwantowych i komunikacji klasycznie, powiedzmy telefon lub Internet. To ograniczenie lokalnych operacji i komunikacji klasycznej (LOCC) upraszcza sytuację, co oznacza, co robią Alice i Bob, nie mogą wpływać na wewnętrznie nielokalne właściwości uwikłania między ich systemami kwantowymi.
„Wiadomo, że w ramach operacji LOCC w tym scenariuszu uwikłanie jest nieodwracalne” – wyjaśnia główny autor badania Alexander Streltsov. „Pytanie brzmi: czy możemy w jakiś sposób wyjść poza LOCC w znaczący sposób i odzyskać odwracalność?” Odpowiedź zespołu brzmi „tak”, o ile Alice i Bob dzielą dodatkowy system uwikłany: bateria splątania.
Podobnie jak zwykła bateria przechowuje energię, którą można wykorzystać do wstrzykiwania lub przechowywania pracy w kontekście termodynamiki, baterii splątania i zapasów zapasów. Akumulator może być używany w procesie transformacji stanu, a stan samego akumulatora można zmienić w celu wykonania operacji. Jest tylko jedna zasada: cokolwiek zrobią Alice i Bob, nie mogą obniżyć poziomu splątania w baterii.
I podobnie jak zwykła akumulator pozwala na wykonywanie zadań, które byłyby niemożliwe bez niej, podobnie jak bateria splątania. Pomagając standardowym operacjom LOCC w hipotetycznej baterii splątania, zespół wykazał, że każda transformacja splątania w stanie mieszanym może być doskonale odwracalna.
Osiągnięcie to jest znaczącym wkładem w debatę na temat tego, czy manipulacja uwikłania jest ogólnie odwracalna. Jednak ważniejszym wynikiem tej pracy jest to, że naukowcy wykazali, że opracowane przez nich metody mają zastosowanie poza transformacją splątania w stanie mieszanym, umożliwiając im wykorzystanie baterii splątania w celu zweryfikowania odwracalności w różnych scenariuszach. Oczekuje się, że udowodnienie, że manipulacje uwikłania we wszystkich stanach kwantowych są odwracalne, doprowadzą do rodziny drugiego prawa manipulacji uwikłaniem.
Bateria splątania może nawet znaleźć zastosowania poza teorią splątania. Na przykład te same zasady mają zastosowanie do systemów obejmujących więcej niż dwie wplątane cząstki, torując drogę do zrozumienia i manipulowanie złożonymi sieciami kwantowymi i być może rozwijając przyszłe, wysoce wydajne technologie kwantowe.
Ponadto uogólnienie koncepcji baterii splątania do baterii zasobów – dodatkowy system kwantowy, który uczestniczy w procesie transformacji bez zmniejszania danego zasobu – może pozwolić na systematyczną demonstrację odwracalności w fizyce kwantowej w oparciu o minimalny zestaw założeń. „Możemy mieć baterię, która ma zachować spójność lub energię swobodną, a następnie możemy sformułować odwracalne ramy w tym otoczeniu, w którym zamiast splątania odwracalnie manipulujemy tym konkretnym zasobem naszego systemu”, mówi Streltsov. „Chociaż wiele z tych innych zasad odwracalności zostało już potwierdzonych za pomocą innych podejść, nasza technika oferuje zunifikowane ramy dowodowe oparte na dobrze ustalonych zasadach fizycznych”.