У будь-якій ізольованій системі ентропія – порядок системи – ніколи не може зменшитися. У класичних системах це настільки твердий закон реальності, наскільки це взагалі можливо. Це другий закон термодинаміки. Але коли справа доходить до квантової механіки, все не так однозначно. Однак нова робота показала, що існує ентропія для важливого квантового явища: заплутаності.
Коли у квантовій механіці проводиться вимірювання частинки, кажуть, що хвильова функція руйнується. Властивості у квантовій механіці є імовірнісними. Якщо дві частинки переплетені, вони є частиною одного квантового стану, і вимірювання однієї з них миттєво зруйнує хвильову функцію іншої, навіть якщо ці дві частинки знаходяться на протилежних кінцях Всесвіту.
Це може здатися контрінтуїтивним або порушенням того чи іншого закону фізики, але це описує спосіб, яким ми можемо точно вимірювати світ. Квантова заплутаність є надзвичайно корисною у передових квантових технологіях – але вчені не були впевнені, як таке явище грає з ентропією.
Щоб узгодити квантову заплутаність з другим законом термодинаміки, вченим потрібно було показати, що перетворення заплутаності є оборотними. Доведено, що робота і теплота є оборотними в термодинамічних системах, але це не так просто для квантової заплутаності.
Команда використовувала “імовірнісні” перетворення заплутаності. Вони не завжди спрацьовують, але ця основа дозволяє фізикам створювати оборотні перетворення, необхідні для обчислення ентропії. І вони змогли обчислити ентропію цієї заплутаності.
“Наші результати знаменують собою значний прогрес у розумінні основних властивостей заплутаності, розкриваючи фундаментальні зв’язки між заплутаністю і термодинамікою, і, що дуже важливо, забезпечуючи значне спрощення в розумінні процесів перетворення заплутаності. Це не тільки має безпосереднє і пряме застосування в основах квантової теорії, але й допоможе зрозуміти кінцеві обмеження нашої здатності ефективно маніпулювати заплутаністю на практиці”, – сказав автор дослідження Бартош Регула з Центру квантових обчислень RIKEN.
Потрібно продовжувати роботу – це перше ґрунтовне дослідження ентропії квантової заплутаності. Нинішнє рішення і майбутнє розширення можуть дати нове розуміння інших проблем, які все ще обмежують наше розуміння квантової фізики.
“Наша робота слугує найпершим доказом того, що оборотність є досяжним явищем у теорії заплутаності. Однак існують припущення про ще сильніші форми оборотності, і є надія, що заплутаність можна зробити оборотною навіть за слабших припущень, ніж ті, які ми зробили в нашій роботі – зокрема, без необхідності покладатися на імовірнісні перетворення. Проблема полягає в тому, що відповіді на ці питання виявляються значно складнішими, вимагаючи розв’язання математичних та інформаційно-теоретичних проблем, які до цього часу не піддавалися розв’язанню. Таким чином, розуміння точних вимог, необхідних для збереження оборотності, залишається захоплюючою відкритою проблемою”, – додав Регула.
