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.