Квантов еквивалент на 2-ия закон на термодинамиката е открит за манипулация на вплитането

Ваня Милева Последна промяна на 07 юли 2025 в 00:00 5409 0

Илюстрация на батерия от вплитане. Батерията позволява обратимо преобразуване между всякакви две вплетени състояния.

Кредит American Physical Society
Илюстрация на батерия от вплитане. Батерията позволява обратимо преобразуване между всякакви две вплетени състояния.

Малко повече от 200 години след като френският инженер и физик Сади Карно формулира втория закон на термодинамиката, международен екип изследователи разкри аналогичен закон за квантовия свят. Този втори закон за манипулиране на вплитането доказва, че точно както топлината или енергията в идеализиран термодинамичен режим, вплитането може да бъде обратимо манипулирано – твърдение, което досега беше силно оспорвано.

Новото изследване, публикувано на 2 юли 2025 г. в Physical Review Letters, задълбочава разбирането за основните свойства на вплитането и предоставя важна фундаментална представа за това как ефективно да се манипулира вплитането и други квантови явления на практика.

Вплитането е може би централната характеристика на квантовата механика. Ако се каже, че две микроскопични частици са вплетени, тогава ако някой измери квантово свойство на едната от частиците и след това повтори измерването на нейния вплетен партньор, той винаги ще открива, че двойката е корелирана (свързана), дори когато двете частици са разделени от огромни разстояния. Следователно, познаването на състоянието на едната частица автоматично предоставя информация за другата.

Теорията за вплитането (entanglement) бе въведена преди около 90 години като доказателство за абсурдността на квантовата теория, ако се третира като пълно описание на природата. Но днес тя не се смята за абсурдна.

Въведение в квантовото вплитане

Идеята за неопределеността е фундаментална за света на квантовата механика. Не можем да измерваме всички характеристики на една система едновременно, без значение колко перфектен е експериментът. Копенхагенската интерпретация на Нилс Бор ефективно ни показва, че самият акт на измерване избира характеристиките, които се наблюдават.

Вплитането е доста странно свойство на квантовата механика. Ако два електрона, например, бъдат изхвърлени от квантова система, тогава законите за запазване на импулса ни казват, че импулсът е равен и противоположен на този на другия. Въпреки това, според Копенхагенската интерпретация, нито една частица няма да има определено състояние, докато не бъде измерена. Когато се измери импулса на едната, това ще определи състоянието и импулса на другата частица, независимо от разстоянието между тях.

Основното:

  1. Когато две субатомни частици взаимодействат една с друга, техните състояния стават взаимозависими – те се вплитат.
  2. Те остават свързани дори когато са физически разделени (дори на огромни разстояния като различни галактики).
  3. Манипулирането на една частица незабавно променя другата.
  4. Измерването на свойствата на една частица ни дава данни за другата.

Това е известно като нелокално поведение, въпреки че Айнщайн го нарича "призрачно действие от разстояние". През 1935 г. Айнщайн заявява, че има скрити променливи, които го правят ненужно. Той твърди, че за да може една частица да повлияе на друга, ще е необходим сигнал, по-бърз от светлината между тях. Това е забранено според неговата Специалната теория на относителността.

Локалност и нелокалност

Локалността е свойство от класическата физика, при което промените в една точка на Вселената не могат мигновено да променят физическата реалност в друга точка - събитие на Венера не може мигновено да увеличи честотата на разпада на пи-мезоните на Земята. Това свойство се намира в основата на класическия принцип на причинността и възниква от ограниченията на скоростта на предаване на информация със скоростта на светлината. В квантовата механика тази локалност може да бъде нарушена от система вплетени частици например.

След изчерпателни доказателства за истинността на вплитането в реалния свят, то сега е ключов ресурс в квантовата информационна теория, позволявайки квантова телепортация и квантова криптография и предлагайки значителни предимства в квантовите изчисления, комуникацията и прецизните измервания.

Въпреки че вплитането все още изглежда противоречиво на нашия битов опит за света, изследователите са открили поразителни паралели с нещо много по-познато: термодинамиката. Всъщност са се появили много прилики между теориите за квантовото вплитане и термодинамиката. Например, "ентропията на вплитането" е характеристика на идеализирани, безшумни квантови системи, която имитира ролята на термодинамичната ентропия.

Но еквивалентът на втория закон на термодинамиката – който диктува, че процесите са склонни към нарастващ безпорядък (гореспоменатата ентропия) и че перфектната обратимост е постижим, макар и рядък и високоефективен идеал – остава упорито недостижим. Тук обратимостта не се отнася до времевата симетрия, а до способността на външен агент да манипулира системата в различно състояние и след това да я манипулира обратно в първоначалното ѝ състояние без никакви загуби.

"Намирането на втори закон, аналогичен на втория закон на термодинамиката, е неразрешен проблем в квантовата информатика", отбелязва съавторът на изследването Туля Варун Кондра (Tulja Varun Kondra). "Решаването на този проблем е нашата основна мотивация."

Голяма част от работата по решаването на този проблем е фокусирана върху сценарий, в който две отдалечени страни (често наричани Алис и Боб) искат да обменят квантова информация, но са ограничени да действат локално в своите квантови системи и да комуникират класически, например по телефона или интернет. Това ограничение до локални операции и класическа комуникация (LOCC) опростява ситуацията, което означава, че каквото и да правят Алис и Боб, те не могат да повлияят на присъщите нелокални свойства на вплитането между своите квантови системи.

"Известно е, че при операции с LOCC в този сценарий, вплитането е необратимо", обяснява старши авторът на изследването Александър Стрелцов (Alexander Streltsov). "Така че въпросът е дали можем по някакъв начин да надхвърлим LOCC по смислен начин и да възстановим обратимостта?" Отговорът на екипа е "да", стига Алис и Боб да споделят допълнителна вплетена система: батерия за вплитания.

Точно както обикновена батерия съхранява енергия, която може да се използва за добавяне или съхранение на работа в контекста на термодинамиката, така и батерията със вплитане вмъква и съхранява вплитане. Батерията може да се използва в процеса на трансформация на състоянието, а самото състояние на батерията може да се променя, за да се извършват операции. Има само едно правило: каквото и да правят Алис и Боб, те не трябва да намаляват нивото на вплитане в батерията.

И точно както обикновената батерия позволява изпълнението на задачи, които биха били невъзможни без нея, така прави и батерията за вплитане. Подпомагайки стандартните LOCC операции със своята хипотетична батерия за вплитания, екипът демонстрира, че всяка трансформация на вплитане със смесено състояние може да бъде направена напълно обратима.

Това постижение е значителен принос към дебата дали манипулацията на вплитането е като цяло обратима. Но по-важен резултат от тази работа е, че изследователите са показали, че разработените от тях методи са приложими отвъд трансформацията на вплитането в смесени състояния, което им позволява да използват батерията за вплитания, за да проверят обратимостта в различни сценарии. Очаква се доказването, че манипулациите на вплитането във всички квантови състояния са обратими, да доведе до колекция от втори закони за манипулация на вплитането.

Батерията за вплитания може дори да намери приложения извън теорията за вплитането. Например, същите принципи важат за системи, включващи повече от две вплетени частици, проправяйки пътя за разбиране и манипулиране на сложни квантови мрежи и евентуално за разработване на бъдещи, високоефективни квантови технологии.

Освен това, обобщаването на концепцията за батерия от вплитане към батерия от ресурси – допълнителна квантова система, която участва в процеса на трансформация, без да намалява въпросния ресурс – би могло да позволи систематично демонстриране на обратимост в квантовата физика, основано на минимален набор от предположения.

"Можем да имаме батерия, която би трябвало да запазва кохерентност или свободна енергия, и след това да формулираме обратима рамка в тази обстановка, където вместо вплитане , ние обратимо манипулираме този конкретен ресурс на нашата система", разказва Стрелцов. "Въпреки че много от тези други принципи на обратимост вече са потвърдени чрез други подходи, нашата техника предлага унифицирана рамка за доказателства, базирана на добре установени физически принципи."

Справка: Ray Ganardi et al, Second Law of Entanglement Manipulation with an Entanglement Battery, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kl56-p2vb. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2405.10599

Източник: Quantum equivalent of thermodynamics' second law discovered for entanglement manipulation, University of Warsaw

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !