Другий закон термодинаміки широко вважається одним із найбільш універсальних фізичних законів. Це наказує, що ентропія, міра фізичного безладу, будь-якої ізольованої системи ніколи не може зменшуватися з часом. Він додає «стрілу часу» до повсякденних явищ, визначаючи, які процеси є оборотними, а які ні. Це пояснює, чому кубик льоду на гарячій плиті завжди тане і чому стиснений газ завжди виходить із контейнера й ніколи не повертається, коли відкривається клапан в атмосферу.
Тільки стани рівної ентропії та енергії можуть бути оборотно перетворені з одного в інший. Ця умова оборотності призвела до відкриття таких термодинамічних процесів, як (ідеалізований) цикл Карно, який визначає верхню межу того, наскільки ефективно можна перетворювати тепло в роботу, або навпаки, циклічно змінюючи замкнуту систему через різні температури та тиски. . Наше розуміння цього процесу стало основою швидкого економічного розвитку під час Західної промислової революції.
Квантова ентропія
Краса другого закону термодинаміки полягає в його застосуванні до будь-якої макроскопічної системи, незалежно від мікроскопічних деталей. У квантових системах однією з цих деталей може бути заплутаність: квантовий зв’язок, завдяки якому розділені компоненти системи мають спільні властивості. Цікаво, що квантова заплутаність має багато глибоких подібностей з термодинамікою, хоча квантові системи здебільшого вивчаються в мікроскопічному режимі. Вчені відкрили поняття «ентропії заплутаності», яке точно імітує роль термодинамічної ентропії, принаймні для ідеалізованих квантових систем, які ідеально ізольовані від свого оточення.
«Квантова заплутаність є ключовим ресурсом, який лежить в основі потужності майбутніх квантових комп’ютерів. Щоб ефективно використовувати її, нам потрібно навчитися маніпулювати нею», — каже дослідник квантової інформації Людовіко Ламі. Фундаментальним питанням стало те, чи завжди можна оборотно маніпулювати заплутаністю, за прямою аналогією з циклом Карно. Вкрай важливо, що ця оборотність має зберігатися, принаймні теоретично, навіть для шумних («змішаних») квантових систем, які не були повністю ізольовані від свого середовища.
Було висловлено припущення, що може бути створений «другий закон заплутаності», втілений у єдиній функції, яка узагальнить ентропію заплутаності та керуватиме всіма протоколами маніпулювання заплутаністю. Ця гіпотеза включена у відомий список відкритих проблем квантової теорії інформації.
Немає другого закону заплутаності
Розв’язуючи це давнє відкрите питання, дослідження, проведеному Ламі (раніше в Університеті Ульма, а зараз в QuSoft і Амстердамському університеті) і Бартошем Регулою (Токійський університет), демонструє, що маніпуляція заплутаністю є фундаментально незворотною, припиняючи будь-які надії на встановлення другого закону заплутаності. Цей новий результат ґрунтується на побудові конкретного квантового стану, створення якого за допомогою чистої заплутаності є дуже «дорогим». Створення цього стану завжди призведе до втрати частини цього зв’язування, оскільки вкладене зв’язування неможливо повністю відновити. Як наслідок, трансформувати цей стан в інший і назад неможливо. Про існування таких держав раніше не було відомо.
Оскільки використаний тут підхід не передбачає, які саме протоколи перетворення використовуються, він виключає оборотність заплутаності в усіх можливих налаштуваннях. Це стосується всіх протоколів, припускаючи, що вони самі не генерують нове заплутування. Ламі