Ученые обратили квантовую запутанность и открыли новый закон квантовой физики

Международная группа исследователей нашла способ сделать квантовую запутанность частиц обратимой, что до этого считалось невозможным.

Новое концептуальное устройство, получившее название батарея запутанности, позволяет преобразовывать и обращать квантовые состояния без потерь. Ученые обнаружили в квантовом мире правило, которое очень похоже на второй закон термодинамики, сформулированный французским физиком Сади Карно еще 200 лет назад.

Исследователи назвали свое открытие вторым законом манипулирования квантовой запутанностью. Этот закон показывает, что квантовую запутанность можно изменять, подобно тому, как ведут себя тепловая и другие виды энергии в термодинамике.

Измерение одной из частиц в состоянии квантовой запутанности может мгновенно предоставить информацию о состоянии той, что находится с ней в паре, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Это свойство делает возможной мгновенную передачу информации, шифрование данных с помощью квантовой криптографии, а также квантовые вычисления и многое другое.

Исследователи обнаружили сходства между квантовой запутанностью и термодинамикой. Одним из примеров является так называемая «энтропия запутанности» — свойство идеальных квантовых систем, точно отображающее принцип работы энтропии в классической термодинамике.

Однако в отличие от термодинамики, обратимость квантового состояния зависит не от симметрии времени, а от способности внешнего агента перевести систему в другое состояние, а затем снова вернуть к исходному без потерь. Значительная часть исследований была сосредоточена на сценарии, когда два удаленных друг от друга человека, условные Алиса и Боб, хотят обменяться квантовой информацией, однако локально ограничены в собственных квантовых системах и могут поддерживать связь только с помощью классических средств — по телефону или через интернет. Это ограничение локальными операциями и классической коммуникацией упрощает ситуацию, поскольку, что бы ни делали Алиса и Боб, они не могут повлиять на изначально нелокальные свойства запутанности между своими квантовыми системами.

«Известно, что при работе средств классической коммуникации в этом сценарии запутанность необратима. Поэтому вопрос в том, можем ли мы каким-то образом выйти за пределы классической коммуникации осмысленным образом и восстановить обратимость?», — отмечает ведущий автор исследования Александр Стрельцов.

Исследователи отмечают, что ответ на вопрос: «Да, можем», но при условии, что Алиса и Боб совместно используют дополнительную систему квантовой запутанности — батарею запутанности. Эта батарея работает по схожему принципу, что и обычные, которые хранят и используют накопленную энергию. Только в этом случае батарея квантовой запутанности хранит информацию о состоянии запутанности. Батарея может использоваться в процессе преобразования состояния, а ее состояние может быть изменено для выполнения операций. Существует только одно правило: что бы ни делали Алиса и Боб, они не должны снижать уровень запутанности внутри батареи.

Используя свою гипотетическую батарею запутанности для стандартных операций с использованием средств классической коммуникации, команда продемонстрировала, что любое преобразование запутанности в смешанном состоянии можно сделать обратимым. Те же принципы применяются к системам, включающим более двух запутанных частиц, открывая путь к пониманию и манипулированию сложными квантовыми сетями и, возможно, к разработке будущих высокоэффективных квантовых технологий.