Drygt 200 år efter att den franske ingenjören och fysikern Sadi Carnot formulerade den andra termodynamiska lagen har ett internationellt forskarteam presenterat en analog lag för kvantvärlden. Denna andra lag om manipulation av kvantmekanisk sammanflätning bevisar att sammanflätning, precis som värme eller energi i ett idealiserat termodynamiskt system, kan manipuleras på ett reversibelt sätt, något som hittills varit mycket omtvistat.
Den nya forskningen, som publicerades den 2 juli 2025 i Physical Review Letters, fördjupar förståelsen av entanglementens grundläggande egenskaper och ger viktig grundläggande insikt i hur entanglement och andra kvantfenomen kan manipuleras effektivt i praktiken.
Entanglement är utan tvekan det centrala inslaget i kvantmekaniken. Om två mikroskopiska partiklar sägs vara entangled, innebär det att om någon mäter en kvantegenskap hos en av partiklarna och sedan upprepar mätningen på dess entangled partner, kommer man alltid att finna att paret är korrelerat, även om de två partiklarna är åtskilda av stora avstånd. Att känna till tillståndet hos en partikel ger därför automatiskt information om den andra.
Entanglement introducerades för cirka 90 år sedan som ett bevis på kvantteorins absurditet om den behandlades som en fullständig beskrivning av naturen. Idag anses den dock inte längre vara absurd.
Efter uttömmande bevis för entanglementens äkthet i den verkliga världen är den nu en nyckelresurs inom kvantinformationsteorin, som möjliggör kvantteleportation och kvantkryptografi och erbjuder betydande fördelar inom kvantdatorer, kommunikation och precisionsmätningar.
Även om entanglement fortfarande verkar motsäga vår vardagliga erfarenhet av världen har forskare upptäckt slående paralleller med något mycket mer bekant: termodynamiken. Faktum är att många likheter har framkommit mellan teorierna om kvantentanglement och termodynamik. Till exempel är ”entanglemententropi” en egenskap hos idealiserade, brusfria kvantsystem som efterliknar termodynamisk entropi.
Emellertid har en motsvarighet till termodynamikens andra lag – som säger att processer tenderar att öka oordningen (den ovannämnda entropin) och att perfekt reversibilitet är ett uppnåeligt men sällsynt och mycket effektivt ideal – förblivit svårfångad. Här avser reversibilitet inte tidsymmetri utan förmågan hos en extern agent att manipulera systemet till ett annat tillstånd och sedan manipulera det tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd utan någon förlust.
”Att hitta en andra lag som är analog med den andra termodynamiska lagen har varit ett olöst problem inom kvantinformationsvetenskapen”, säger studiens medförfattare Tulja Varun Kondra. ”Att lösa detta har varit vår främsta motivation.”
Mycket arbete för att lösa detta problem har fokuserat på ett scenario där två avlägset belägna parter (ofta kallade Alice och Bob) vill utbyta kvantinformation, men är begränsade till att agera lokalt på sina kvantsystem och kommunicera klassiskt, till exempel via telefon eller internet. Denna begränsning till lokala operationer och klassisk kommunikation (LOCC) förenklar situationen, vilket innebär att vad Alice och Bob än gör kan de inte påverka de i sig icke-lokala egenskaperna hos sammanflätningen mellan deras kvantsystem.
”Det är känt att under LOCC-operationer i detta scenario är entanglement irreversibel”, förklarar studiens seniorförfattare Alexander Streltsov. ”Så frågan är: kan vi på något meningsfullt sätt gå bortom LOCC och återställa reversibiliteten?” Teamets svar är ”ja”, så länge Alice och Bob delar ett ytterligare entangled system: ett entanglement batteri.
Precis som ett vanligt batteri lagrar energi som kan användas för att injicera eller lagra arbete i termodynamik, injicerar och lagrar ett entanglement-batteri entanglement. Batteriet kan användas i tillståndsförändringsprocessen och batteriets tillstånd kan ändras för att utföra operationer. Det finns bara en regel: vad Alice och Bob än gör, får de inte minska nivån av entanglement i batteriet.
Och precis som ett vanligt batteri gör det möjligt att utföra uppgifter som skulle vara omöjliga utan ett batteri, så gör även ett entanglement-batteri. Genom att assistera standard LOCC-operationer med sitt hypotetiska entanglement-batteri visade teamet att alla blandade entanglement-transformationer kan göras helt reversibla.
Denna prestation är ett viktigt bidrag till debatten om huruvida entanglement-manipulation i allmänhet är reversibel. Men ett ännu viktigare resultat av detta arbete är att forskarna har visat att de metoder de har utvecklat är tillämpliga även utanför transformation av blandade tillstånd av entanglement, vilket gör att de kan utnyttja entanglementbatteriet för att verifiera reversibilitet i olika scenarier. Att bevisa att entanglementmanipulationer i alla kvanttillstånd är reversibla förväntas leda till en familj av andra lagar för entanglementmanipulation.
Entanglementbatteriet kan till och med hitta användningsområden utanför entanglementteorin. Samma principer gäller till exempel system som involverar fler än två sammanflätade partiklar, vilket banar väg för förståelse och manipulation av komplexa kvantnätverk och kanske utveckling av framtida, högeffektiva kvanttekniker.
Dessutom skulle en generalisering av begreppet entanglement-batteri till ett resursbatteri – ett ytterligare kvantsystem som deltar i transformationsprocessen utan att minska den aktuella resursen – kunna möjliggöra systematisk demonstration av reversibilitet inom kvantfysiken baserat på ett minimalt antal antaganden.
”Vi kan ha ett batteri som är avsett att bevara koherens eller fri energi, och sedan kan vi formulera ett reversibelt ramverk i denna miljö där vi, istället för entanglement, reversibelt manipulerar den specifika resursen i vårt system”, säger Streltsov. ”Även om många av dessa andra principer för reversibilitet redan har bekräftats genom andra metoder, erbjuder vår teknik ett enhetligt ramverk för bevis baserat på väl etablerade fysikaliska principer.”
Mer information: Ray Ganardi et al, Second Law of Entanglement Manipulation with an Entanglement Battery, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kl56-p2vb. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2405.10599
