Квантовая запутанность может иметь глубокую связь с паровыми двигателями

Через год, почти исключая такую возможность, пара физиков-теоретиков из Японии и Нидерландов обнаружили, что квантовая запутанность имеет что-то фундаментально общее с физикой, которая приводит в движение паровые двигатели, сушит носки и, возможно, даже удерживает стрелу. времени указывает в одном направлении.

Это универсальное свойство, если оно действительно существует, как они предполагают, будет управлять всеми преобразованиями между запутанными системами и даст физикам способ измерять и сравнивать запутанность, помимо подсчета кубитов – и знать их пределы манипулирования запутанными парами.

Квантовая запутанность, тенденция квантовой нечеткости различных объектов к математическому слиянию, является фундаментальной частью квантовых вычислений наряду с суперпозицией. Когда частицы, атомы или молекулы запутаны, знание чего-то об одной говорит нам что-то о другой.

В поисках реализации этих компьютерных мечтаний физики в первую очередь интересовались тем, как объединить две частицы в одну запутанное состояние и не тревожить их, чтобы они не рассыпались на части и могли надежно передавать информацию на большие расстояния.

Однако меньше внимания уделялось тому, могут ли запутанные частицы перейти из одного квантового состояния в другой, насколько это будет сложно, сколько существует возможных механизмов и обратим ли, в конечном счете, процесс запутывания.

В термодинамике обратимость описывает идеальные процессы, которые можно отменить таким образом, чтобы оставить система – и Вселенная – практически не изменились. Например, превращение воды в пар с помощью тепла может привести в движение поршень, а поршень, толкающий пар, может вернуть его в нагретое жидкое состояние.

Если запутанные состояния также можно устранить, даже теоретически, это могло бы произойти означают, что другие сходства с термодинамикой могут указывать на более глубокую истину в квантовой механике.

«Наша работа служит первым свидетельством того, что обратимость — достижимое явление в теории запутанности», — говорит квантовый физик Бартош Регула из Центр квантовых вычислений RIKEN в Японии, который совместно с Людовико Лами из Амстердамского университета провел исследование.

«Это не только имеет непосредственное и прямое применение в основах квантовой теории, но и будет поможет понять окончательные ограничения нашей способности эффективно манипулировать запутанностью на практике», — добавляет Регула.

Обратимые процессы не могут происходить в действительности благодаря второму закону термодинамики. Обобщенная в концепции, известной как энтропия, она гласит, что любое новое состояние в закрытой системе, скорее всего, не будет обладать энергией, необходимой для полного разворота после изменения.

Хотите повернуть поршень вспять? Вам нужно будет черпать энергию откуда-то еще. Поскольку Вселенная является закрытой системой и не может получать энергию откуда-либо еще, ее энтропия будет постоянно возрастать.

Учитывая сильную взаимосвязь между энтропией и обратимостью в термодинамике, выявление параллели в запутанности может иметь глубокие последствия для понимание квантовых преобразований.

Чтобы установить «энтропию» запутанности, Регуле и Лами пришлось показать, что преобразования запутанности действительно можно сделать обратимыми, точно так же, как работу и тепло можно преобразовать в термодинамике.

Предположение о том, что существует некая «энтропия» запутанности, является внезапным разворотом со стороны Регулы и Лами, которые в прошлом году опубликовали исследование в журнале Nature Physics, в котором утверждалось, что «второго закона манипулирования запутанностью не существует». .

Пара пришла к выводу, что, поскольку запутывание частиц всегда приводит к некоторой потере этой запутанности, которую невозможно полностью восстановить, будет невозможно преобразовать одно квантовое состояние или ресурс в другое и обратно. .

«Мы можем заключить, что ни одна отдельная величина, такая как энтропия запутанности, не может рассказать нам все, что нужно знать о разрешенных преобразованиях запутанных физических систем», — сказал тогда Лами.

» >

Но эти выводы их не остановили. Скорее, они думали, что это предполагает, что единая теория запутанности, если таковая существует, была гораздо более сложной, чем классические законы термодинамики. Поэтому они продолжали подсчитывать цифры.

Их последнее предложение, использующее вероятностные преобразования запутанности, которые работают лишь некоторое время, но дают больше возможностей, показывает, что обратимая структура запутанности может быть возможна.

Однако Регула признает, что демонстрация того, как преобразования запутанных частиц могут работать на практике, а не просто доказательство того, что это статистически возможно, предполагает решение математических проблем, «которые до сих пор ускользали от всех попыток их решения».

Более того, работа пары представляет собой отход от предыдущих попыток охарактеризовать определенные квантовые преобразования, поскольку она рассматривает только те преобразования, которые могут быть достигнуты с некоторой вероятностью – какими бы исчезающе малыми ни были эти шансы. В результате этих вероятностей может быть недостаточно, чтобы на практике продемонстрировать существование повторяемых, обратимых преобразований запутанных состояний.

«Понимание точных требований, необходимых для обеспечения обратимости, остается увлекательной открытой проблемой», — Регула говорит.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.