В края на краищата няма „втори закон на заплитането“, твърди проучване


В крайна сметка няма „втори закон на заплитането“.

Необратимостта на манипулацията на заплитане. Нашият основен резултат в теорема 1 показва, че двукутритното състояние ω3 не може да бъде обратимо манипулирано при NE трансформации. Можем да извлечем само лог2(3/2)≈7/12 бита за заплитане на копие на ω3 асимптотично, но е необходим един бит за пълно заплитане на копие, за да се генерира. Теорема 1 може да бъде подсилена и разширена по няколко начина. кредит: Природна физика (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01873-9

Вторият закон на термодинамиката често се смята за един от малкото физични закони, които са абсолютно и безспорно верни. Законът гласи, че количеството “ентропия” – физическо свойство – на всяка затворена система никога не може да намалее. Той добавя „стрела на времето“ към ежедневните събития, определяйки кои процеси са обратими и кои не. Обяснява защо кубче лед, поставено върху гореща печка, винаги ще се стопи и защо сгъстеният газ винаги ще излети от контейнера си (и никога обратно), когато вентилът се отвори към атмосферата.

Само състояния с еднаква ентропия и енергия могат да бъдат обратимо преобразувани от едно в друго. Това условие за обратимост доведе до откриването на термодинамични процеси като (идеализирания) цикъл на Карно, който представлява горен лимит до това колко ефективно човек може да преобразува топлината в работа или обратното, като преминава затворена система през различни температури и налягания. Нашето разбиране за този процес е в основата на бързото икономическо развитие по време на Западната индустриална революция.

Квантова ентропия

Красотата на втори закон на термодинамиката е неговата приложимост към всяка макроскопична система, независимо от микроскопичните детайли. в квантови системи, една от тези подробности може да е заплитане: квантова връзка, която прави разделените компоненти на системата да споделят свойства. интригуващо, квантово заплитане споделя много дълбоки прилики с термодинамиката, въпреки че квантовите системи се изучават предимно в микроскопичен режим.

Учените са открили идея за „ентропия на заплитане“, която точно имитира ролята на термодинамичната ентропия, поне за идеализираните квантови системи, които са идеално изолирани от заобикалящата ги среда.

„Квантовото заплитане е ключов ресурс, който е в основата на голяма част от силата на бъдещите квантови компютри. За да го използваме ефективно, трябва да се научим как да го манипулираме“, казва изследователят на квантовата информация Лудовико Лами. Фундаментален въпрос стана дали заплитането винаги може да бъде обратимо манипулирано, в пряка аналогия с цикъла на Карно. Най-важното е, че тази обратимост ще трябва да се запази, поне на теория, дори за шумни („смесени“) квантови системи, които не са били държани идеално изолирани от тяхната среда.

Предполага се, че може да бъде установен „втори закон за заплитане“, въплътен в една функция, която да обобщи ентропията на заплитане и да управлява всички протоколи за манипулиране на заплитането. Тази хипотеза е включена в известен списък с открити проблеми в квантовата теория на информацията.

Няма втори закон на заплитане

Разрешавайки този дългогодишен открит въпрос, изследването, проведено от Лами (преди това в Университета на Улм и понастоящем в QuSoft и Университета на Амстердам) и Бартош Регула (Университета на Токио), показва, че манипулирането на заплитането е фундаментално необратимо, слагайки край на всякакви надежди за установяване на втори закон на заплитането.

Този нов резултат разчита на конструирането на конкретно квантово състояние, което е много „скъпо“ за създаване с помощта на чисто заплитане. Създаването на това състояние винаги ще доведе до загуба на част от това преплитане, тъй като инвестираното преплитане не може да бъде напълно възстановено. В резултат на това е присъщо невъзможно да се трансформира това състояние в друго и обратно. Съществуването на такива държави досега не беше известно.

Тъй като подходът, използван тук, не предполага какви точно протоколи за трансформация се използват, той изключва обратимостта на заплитането във всички възможни настройки. Прилага се за всички протоколи, ако приемем, че те сами не генерират ново заплитане. Лами обяснява: „Използването на операции по заплитане би било като управление на дестилерия, в която алкохол от другаде тайно се добавя към напитката.“

Лами казва: „Можем да заключим, че нито едно количество, като ентропията на заплитане, не може да ни каже всичко, което трябва да знаем за разрешените трансформации на заплетени физически системи. Теорията на заплитането и термодинамиката по този начин се управляват от фундаментално различни и несъвместими набори на законите.”

Това може да означава, че описването на квантовото заплитане не е толкова просто, колкото се надяваха учените. Вместо да е недостатък обаче, значително по-голямата сложност на теорията за заплитането в сравнение с класическите закони на термодинамиката може да ни позволи да използваме заплитането, за да постигнем подвизи, които иначе биха били напълно немислими. „Засега това, което знаем със сигурност, е това заплитане крие още по-богата и по-сложна структура, за която сме го признали”, заключава Лами.

Статията е публикувана в сп Природна физика.

Повече информация:
Ludovico Lami et al, В крайна сметка няма втори закон за манипулиране на заплитане, Природна физика (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01873-9

Цитат: В края на краищата няма „втори закон на заплитането“, проучване на твърденията (2023 г., 24 януари), извлечено на 25 януари 2023 г. от https://phys.org/news/2023-01-law-entanglement.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.