Квантовая физика стала проще — ученые доказали, что второго закона запутанности не существует

Второй закон запутанности является аналогом второго закона термодинамики для квантового мира. Как показала недавняя научная работа, такого закона просто не существует, что может серьезно повлиять на проектировку некоторых вычислительных систем завтрашнего дня.

Квантовая физика стала проще — ученые доказали, что второго закона запутанности не существует

Второй закон термодинамики считается одним из наиболее универсальных физических законов. Он говорит, что энтропия, мера физического беспорядка, любой изолированной системы никогда не может уменьшаться с течением времени. Фактически, он добавляет "стрелу времени" к повседневным событиям, определяя, какие процессы обратимы, а какие нет. Это объясняет, почему кубик льда на горячей плите всегда тает и почему сжатый газ всегда выходит из контейнера и никогда не возвращается в него.

Только состояния с одинаковой энтропией и энергией могут быть обратимо преобразованы из одного состояния в другое. Это условие обратимости привело к открытию термодинамических процессов, таких как (идеальный) цикл Карно, который устанавливает верхний предел того, насколько эффективно можно преобразовывать теплоту в работу или наоборот, циклически повторяя замкнутую систему через различные температуры и давления. Наше понимание этого процесса лежало в основе быстрого экономического и технического развития во время промышленной революции.

Прелесть второго закона термодинамики заключается в его применимости к любой макроскопической системе, независимо от микроскопических деталей. В квантовых системах одной из таких деталей может быть запутанность: квантовая связь, которая делает разделенные компоненты системы общими свойствами. Интересно, что квантовая запутанность имеет много общего с термодинамикой, хотя квантовые системы в основном изучаются в микроскопическом режиме. Ученые открыли понятие "энтропии запутанности", которое в точности повторяет роль термодинамической энтропии, по крайней мере, для идеализированных квантовых систем, полностью изолированных от своего окружения.

Квантовая запутанность — это ключевой ресурс, который лежит в основе большей части мощности будущих квантовых компьютеров. Чтобы эффективно использовать ее, нам нужно научиться ею манипулировать. Фундаментальный вопрос заключался в том, всегда ли можно обратимо манипулировать запутанностью, по прямой аналогии с циклом Карно. Важно отметить, что эта обратимость должна сохраняться, по крайней мере в теории, даже для смешанных квантовых систем, которые не были идеально изолированы от окружающей среды.

Было высказано предположение, что можно установить "второй закон запутанности", воплощенный в одной функции, которая обобщает энтропию запутанности и управляет всеми протоколами манипулирования запутанностью. Эта гипотеза фигурирует в известном списке открытых проблем квантовой теории информации.

Отвечая на этот давний открытый вопрос, новое исследование демонстрирует, что манипулирование запутанностью принципиально необратимо, что разбивает любые надежды на установление второго закона запутанности. Этот новый результат основан на построении определенного квантового состояния, которое очень "дорого" создать с помощью чистой запутанности. Создание этого состояния всегда будет приводить к потере части этой запутанности, поскольку вложенная запутанность не может быть полностью восстановлена. В результате трансформировать это состояние в другое и обратно по своей сути невозможно. Существование таких состояний ранее было неизвестно.

Поскольку используемый подход не предполагает, какие именно протоколы преобразования используются, он исключает обратимость запутанности во всех возможных условиях. Это применимо ко всем протоколам, при условии, что они сами не генерируют новую запутанность. Использование операций запутывания было бы похоже на управление винокурней, на которой в напиток тайно добавляется спирт из других источников.

Выводы авторов работы однозначны:

Мы можем заключить, что никакая отдельная величина, такая как энтропия запутанности, не может сказать нам все, что нужно знать о разрешенных преобразованиях запутанных физических систем. Таким образом, теория запутанности и термодинамика управляются принципиально разными и несовместимыми наборами законов.

Это может означать, что описание квантовой запутанности не так просто, как надеялись ученые. Однако гораздо большая сложность теории запутанности по сравнению с классическими законами термодинамики не является недостатком, а может позволить нам использовать запутанность для достижения подвигов, которые иначе были бы совершенно немыслимы.

Читайте также

Столкновения ядер золота указали на возможную критическую точку ядерной материи

Столкновения ядер золота указали на возможную критическую точку ядерной материи

Вирус Зика обманул науку: патоген собирается без «жизненно важного» белка

Вирус Зика обманул науку: патоген собирается без «жизненно важного» белка

Световой луч «поплыл» против течения в квантовой жидкости, бросив вызов законам физики

Световой луч «поплыл» против течения в квантовой жидкости, бросив вызов законам физики

Коллапс течений Атлантики может привести к резкому росту цен на продукты

Коллапс течений Атлантики может привести к резкому росту цен на продукты

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

«Огненная амеба» живет при температуре выше 60°C

«Огненная амеба» живет при температуре выше 60°C

Алгоритм iEC точно картирует потоки информации в живом мозге

Алгоритм iEC точно картирует потоки информации в живом мозге

Палеодиктион: ученые определили авторов таинственных шестиугольных окаменелостей

Палеодиктион: ученые определили авторов таинственных шестиугольных окаменелостей

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

Британский визионер хочет запустить максимально дешевую миссию к Альфа Центавра

Британский визионер хочет запустить максимально дешевую миссию к Альфа Центавра

Как ученые на «Конкорде» устроили погоню за солнечным затмением и растянули семь минут до 74

Как ученые на «Конкорде» устроили погоню за солнечным затмением и растянули семь минут до 74

Пять медицинских роботов, которые уже меняют работу больниц прямо сейчас

Пять медицинских роботов, которые уже меняют работу больниц прямо сейчас

Ближайшая к нам внеземная жизнь может находиться на стадии микробов

Ближайшая к нам внеземная жизнь может находиться на стадии микробов

Китай запустил спутник с ИИ-суперкомпьютером для обработки данных прямо на орбите

Китай запустил спутник с ИИ-суперкомпьютером для обработки данных прямо на орбите

AstroForge хочет провести первую космическую миссию без единой команды с Земли

AstroForge хочет провести первую космическую миссию без единой команды с Земли

Motorola показала флагман Signature 27 с 200-Мп перископической камерой

Motorola показала флагман Signature 27 с 200-Мп перископической камерой