Bartosz Regula från RIKEN Center for Quantum Computing och Ludovico Lami från University of Amsterdam har visat, genom probabilistiska beräkningar, att det verkligen finns, som man hade antagit, en entropiregel för fenomenet kvantentanglement.
Detta fynd kan hjälpa till att skapa en bättre förståelse av kvantentanglement, som är en nyckelresurs som ligger till grund för mycket av kraften hos framtida kvantdatorer. För närvarande vet man inte mycket om de optimala sätten att effektivt använda det, trots att det har varit i fokus för forskning inom kvantinformationsvetenskap i årtionden.
Termodynamikens andra lag, som säger att ett system aldrig kan förflytta sig till ett tillstånd med lägre entropi, eller ordning, är en av de mest grundläggande naturlagarna, och ligger i själva hjärtat av fysiken. Det är det som skapar "tidens pil" och berättar för oss det anmärkningsvärda faktum att dynamiken i allmänna fysiska system, även extremt komplexa sådana som gaser eller svarta hål, är inkapslade av en enda funktion, dess entropi.
Det finns dock en komplikation. Principen om entropi är känd för att gälla alla klassiska system, men idag utforskar vi i allt högre grad kvantvärlden.
Vi går nu igenom en kvantrevolution, och det blir avgörande att förstå hur vi kan utvinna och omvandla de dyra och ömtåliga kvantresurserna. Speciellt kvantintrång, som möjliggör betydande fördelar inom kommunikation, beräkning och kryptografi, är avgörande, men på grund av dess extremt komplexa struktur är det vanligtvis mycket mer utmanande att effektivt manipulera den och till och med förstå dess grundläggande egenskaper än i fallet med termodynamik. .
Svårigheten ligger i det faktum att en sådan "andra lag" för kvantentanglement skulle kräva att vi visar att intrasslingstransformationer kan göras reversibla, precis som arbete och värme kan omvandlas i termodynamiken.
Det är känt att reversibiliteten av intrassling är mycket svårare att säkerställa än reversibiliteten för termodynamiska transformationer, och alla tidigare försök att etablera någon form av en reversibel teori om intrassling har misslyckats. Man misstänkte till och med att intrassling faktiskt kunde vara oåterkallelig, vilket gjorde uppdraget omöjligt.
I deras nya arbete, publicerat i Nature Communications , löser författarna denna långvariga gissning genom att använda probabilistiska intrasslingstransformationer, som bara är garanterade framgångsrika ibland, men som i gengäld ger en ökad kraft vid konvertering av kvantsystem.
Under sådana processer visar författarna att det verkligen är möjligt att upprätta ett reversibelt ramverk för intrasslingsmanipulation, och därmed identifiera en miljö där en unik entanglements entropi uppstår och alla entanglementtransformationer styrs av en enda kvantitet. Metoderna som de använde skulle kunna tillämpas mer brett och visa liknande reversibilitetsegenskaper även för mer allmänna kvantresurser.
Enligt Regula, "Våra fynd markerar betydande framsteg när det gäller att förstå de grundläggande egenskaperna hos intrassling, avslöjar grundläggande kopplingar mellan intrassling och termodynamik, och avgörande, ger en stor förenkling i förståelsen av förtrasslingsprocesser.
"Detta har inte bara omedelbara och direkta tillämpningar i grunderna för kvantteorin, utan det kommer också att hjälpa till att förstå de yttersta begränsningarna för vår förmåga att effektivt manipulera intrassling i praktiken."
Med blicken mot framtiden fortsätter han, "Vårt arbete fungerar som det allra första beviset på att reversibilitet är ett uppnåeligt fenomen inom intrasslingsteorin. Ännu starkare former av reversibilitet har dock givits ut, och det finns hopp om att intrassling kan göras reversibel även under svagare antaganden än vi har gjort i vårt arbete – särskilt utan att behöva förlita oss på sannolikhetsförändringar.
"Frågan är att det verkar betydligt svårare att besvara dessa frågor, vilket kräver lösningen av matematiska och informationsteoretiska problem som hittills har undgått alla försök att lösa dem. Att förstå de exakta kraven för att reversibiliteten ska hålla förblir därför ett fascinerande öppet problem."
Mer information: Bartosz Regula et al, Reversibilitet av kvantresurser genom probabilistiska protokoll, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47243-2
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av RIKEN
