Міжнародна група дослідників знайшла спосіб зробити квантову заплутаність частинок оборотною, що до цього вважалось неможливим.

Новий концептуальний пристрій, що отримав назву батарея заплутаності, дозволяє перетворювати і обертати квантові стани без втрат. Науковці виявили у квантовому світі правило, яке дуже схоже на другий закон термодинаміки, сформульований французьким фізиком Саді Карно ще 200 років тому. 

Дослідники назвали своє відкриття другим законом маніпулювання квантовою заплутаністю. Цей закон демонструє, що квантову заплутаність можна оборотно змінювати, подібно до того, як поводиться теплова та інші види енергії у термодинаміці.

Вимірювання однієї з частинок у стані квантової заплутаності може миттєво надати інформацію про стан тієї, що перебуває з ній у парі, навіть якщо вони перебувають на великій відстані одна від одної. Ця властивість робить можливою миттєву передачу інформації, шифрування даних за допомогою квантової криптографії, а також квантові обчислення і багато іншого.

Дослідники виявили схожості між квантовою заплутаністю та термодинамікою. Одним з прикладів є так звана «ентропія заплутаності» — властивість ідеальних квантових систем, що точно відображує принцип роботи ентропії у класичній термодинаміці. 

Однак на відміну від термодинаміки, оборотність квантового стану залежить не від симетрії часу, а від здатності зовнішнього агента перевести систему в інший стан, а потім знову повернути до початкового без втрат. Значна частина досліджень була зосереджена на сценарії, коли дві віддалені одна від одної людини, умовні Аліса і Боб, хочуть обмінятись квантовою інформацією, однак локально обмежені у власних квантових системах і можуть підтримувати зв’язок лише за допомогою класичних засобів — по телефону або через інтернет. Це обмеження локальними операціями та класичною комунікацією спрощує ситуацію, оскільки, хоч би що робили Аліса і Боб, вони не можуть вплинути на початково нелокальні властивості заплутаності між своїми квантовими системами. 

Дослідники зазначають, що відповідь на питання: «Так, можемо», але за умови, що Аліса і Боб спільно використовують додаткову систему квантової заплутаності — батарею заплутаності. Ця батарея працює за схожим принципом, що і звичайні, які зберігають та використовують накопичену енергію. Тільки у цьому випадку батарея квантової заплутаності зберігає інформацію про стан заплутаності. Батарея може використовуватися в процесі перетворення стану, а її стан може бути змінено для виконання операцій. Існує тільки одне правило: хоч би що робили Аліса і Боб, вони не повинні знижувати рівень заплутаності всередині батареї. 

Використовуючи свою гіпотетичну батарею заплутаності для стандартних операцій із використанням засобів класичної комунікації, команда продемонструвала, що будь-яке перетворення заплутаності у змішаному стані можна зробити оборотним. Ті ж принципи застосовуються до систем, що включають більше двох заплутаних частинок, відкриваючи шлях до розуміння та маніпулювання складними квантовими мережами та, можливо, до розробки майбутніх високоефективних квантових технологій.

Результати дослідження опубліковані у журналі Physical Review Letters

Джерело: SciTechDaily