Бартош Регула з Центру квантових обчислень RIKEN і Людовіко Ламі з Університету Амстердама показали за допомогою імовірнісних розрахунків, що, як і передбачалося, справді існує правило ентропії для явища квантової заплутаності. Це відкриття може допомогти краще зрозуміти квантову заплутаність, яка є ключовим ресурсом, що лежить в основі потужності майбутніх квантових комп’ютерів. Наразі мало що розуміють про оптимальні способи ефективного використання, незважаючи на те, що це було центром досліджень квантової інформаційної науки протягом десятиліть.
Другий закон термодинаміки, згідно з яким система ніколи не може перейти до стану з нижчою ентропією або порядком, є одним із найфундаментальніших законів природи і лежить в самому серці фізики. Це те, що створює «стрілу часу» і повідомляє нам про дивовижний факт, що динаміка загальних фізичних систем, навіть надзвичайно складних, таких як гази чи чорні діри, інкапсульована однією функцією — її ентропією.
Однак є ускладнення. Відомо, що принцип ентропії застосовується до всіх класичних систем, але сьогодні ми все більше досліджуємо квантовий світ.
Зараз ми переживаємо квантову революцію, і стає вкрай важливим зрозуміти, як ми можемо видобувати та трансформувати дорогі та крихкі квантові ресурси. Зокрема, квантова заплутаність, яка дає значні переваги в комунікації, обчисленнях і криптографії, має вирішальне значення, але через її надзвичайно складну структуру ефективне маніпулювання нею та навіть розуміння її основних властивостей зазвичай набагато складніше, ніж у випадку термодинаміки. .
Складність полягає в тому, що такий «другий закон» для квантової заплутаності вимагав би від нас показати, що перетворення заплутаності можна зробити оборотними,, так само як робота і тепло можуть взаємоперетворюватися в термодинаміці.
Відомо, що оборотність заплутаності набагато складніше забезпечити, ніж оборотність термодинамічних перетворень, і всі попередні спроби створити будь-яку форму оборотної теорії заплутаності зазнали невдачі. Було навіть підозра, що заплутування насправді може бути незворотнім, що робить квест неможливим.
У своїй новій роботі, опублікованій в Nature Communications, автори вирішують цю давню гіпотезу, використовуючи ймовірнісні перетворення заплутаності, які гарантовано будуть успішними лише деякий час, але які натомість забезпечують підвищену потужність у перетворенні квантових систем. .
За таких процесів автори показують, що дійсно можливо встановити оборотну структуру для маніпулювання заплутаністю, таким чином ідентифікуючи налаштування, в яких виникає унікальна ентропія заплутаності, і всі перетворення заплутаності керуються однією величиною. Методи, які вони використовували, можна було б застосовувати ширше, демонструючи подібні властивості оборотності також для більш загальних квантових ресурсів.
За словами Регули, «наші висновки знаменують значний прогрес у розумінні основних властивостей заплутаності, виявлення фундаментальних зв’язків між заплутаністю та термодинамікою, і, що важливо, значно спрощено розуміння процесів перетворення заплутаності.
«Це не тільки має безпосереднє і пряме застосування в основах квантової теорії, але також допоможе зрозуміти кінцеві обмеження нашої здатності ефективно маніпулювати заплутаністю на практиці».
Дивлячись у майбутнє, він продовжує: «Наша робота служить першим доказом того, що оборотність є досяжним явищем у теорії заплутаності. Проте були висунуті припущення про навіть сильніші форми оборотності, і є надія, що заплутаність можна зробити оборотною навіть за умови слабші припущення, ніж ми зробили в нашій роботі, зокрема, без необхідності покладатися на ймовірнісні перетворення.
«Проблема полягає в тому, що відповісти на ці запитання видається значно складнішим, вимагаючи розв’язання математичних та інформаційно-теоретичних проблем, які досі уникали будь-яких спроб їх розв’язання. Таким чином, розуміння точних вимог до оборотності залишається захоплюючою відкритою проблемою».