Bartosz Regula från RIKEN Center for Quantum Computing och Ludovico Lami från Amsterdams universitet har med hjälp av probabilistiska beräkningar visat att det faktiskt finns en entropiregel för fenomenet kvantsammanflätning, precis som man har antagit.
Detta resultat kan bidra till en bättre förståelse av kvantsammanflätning, som är en viktig resurs som ligger till grund för mycket av kraften i framtida kvantdatorer. För närvarande vet man inte mycket om hur man på bästa sätt kan utnyttja denna resurs, trots att den har stått i fokus för forskningen inom kvantinformationsvetenskap i årtionden.
Termodynamikens andra huvudsats, som säger att ett system aldrig kan övergå till ett tillstånd med lägre entropi, eller ordning, är en av de mest grundläggande naturlagarna och utgör själva kärnan i fysiken. Det är den som skapar ”tidens pil” och berättar det anmärkningsvärda faktum att dynamiken i allmänna fysiska system, även extremt komplexa sådana som gaser eller svarta hål, är inkapslade i en enda funktion, dess entropi.
Det finns dock en komplikation. Det är känt att entropiprincipen gäller för alla klassiska system, men idag utforskar vi i allt högre grad kvantvärlden.
Vi går nu igenom en kvantrevolution, och det blir oerhört viktigt att förstå hur vi kan utvinna och omvandla de dyra och ömtåliga kvantresurserna. I synnerhet kvantsammanflätning, som möjliggör betydande fördelar inom kommunikation, beräkning och kryptografi, är avgörande, men på grund av dess extremt komplexa struktur är det vanligtvis mycket mer utmanande att effektivt manipulera den och till och med förstå dess grundläggande egenskaper än i fallet med termodynamik.
Svårigheten ligger i det faktum att en sådan ”andra lag” för kvantsammanflätning skulle kräva att vi visar att sammanflätningstransformationer kan göras reversibla, precis som arbete och värme kan omvandlas inom termodynamiken.
Det är känt att reversibiliteten hos sammanflätning är mycket svårare att säkerställa än reversibiliteten hos termodynamiska omvandlingar, och alla tidigare försök att etablera någon form av reversibel teori för sammanflätning har misslyckats. Det har till och med funnits misstankar om att sammanflätning faktiskt skulle kunna vara irreversibel, vilket skulle göra försöket omöjligt.
I sitt nya arbete, som publiceras i Nature Communications, löser författarna denna gamla gissning genom att använda probabilistiska sammanflätningstransformationer, som bara garanterat lyckas en del av tiden, men som i gengäld ger en ökad kraft i omvandlingen av kvantsystem.
Under sådana processer visar författarna att det faktiskt är möjligt att etablera ett reversibelt ramverk för manipulation av sammanflätning, och därmed identifiera en miljö där en unik sammanflätningsentropi uppstår och alla sammanflätningstransformationer styrs av en enda kvantitet. De metoder som de använde kan tillämpas på ett bredare plan och visa liknande reversibilitetsegenskaper även för mer allmänna kvantresurser.
Regula säger: ”Våra resultat innebär betydande framsteg när det gäller att förstå de grundläggande egenskaperna hos sammanflätning, avslöja grundläggande kopplingar mellan sammanflätning och termodynamik, och framför allt innebär de en stor förenkling när det gäller att förstå omvandlingsprocesser för sammanflätning.
”Detta har inte bara omedelbara och direkta tillämpningar i kvantteorins grunder, utan kommer också att bidra till att förstå de yttersta begränsningarna för vår förmåga att effektivt manipulera sammanflätning i praktiken.”
När han blickar framåt fortsätter han: ”Vårt arbete är det allra första beviset på att reversibilitet är ett fenomen som är möjligt att uppnå inom sammanflätningsteorin. Ännu starkare former av reversibilitet har dock antagits, och det finns hopp om att sammanflätning kan göras reversibel även under svagare antaganden än vad vi har gjort i vårt arbete – framför allt utan att behöva förlita sig på probabilistiska transformationer.
”Problemet är att det verkar betydligt svårare att besvara dessa frågor, eftersom det kräver en lösning av matematiska och informationsteoretiska problem som hittills har undgått alla försök att lösa dem. Att förstå de exakta kraven för att reversibilitet ska gälla förblir därför ett fascinerande öppet problem.”
Ytterligare information: Bartosz Regula et al, Reversibility of quantum resources through probabilistic protocols, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47243-2
