Forskere viser, at der faktisk er en entropi af kvantesammenfiltring

Bartosz Regula fra RIKEN Center for Quantum Computing og Ludovico Lami fra University of Amsterdam har gennem probabilistiske beregninger vist, at der faktisk er, som det var blevet antaget, en entropiregel for fænomenet kvantesammenfiltring.

Denne opdagelse kan hjælpe med at skabe en bedre forståelse af kvantesammenfiltring, som er en nøgleressource, der ligger til grund for meget af kraften i fremtidige kvantecomputere. Lidt er i øjeblikket forstået om de optimale måder at gøre effektiv brug af det på, på trods af at det har været fokus for forskning inden for kvanteinformationsvidenskab i årtier.

Termodynamikkens anden lov, som siger, at et system aldrig kan bevæge sig til en tilstand med lavere entropi eller orden, er en af ​​de mest fundamentale naturlove og ligger i selve fysikkens hjerte. Det er det, der skaber "tidens pil" og fortæller os det bemærkelsesværdige faktum, at dynamikken i generelle fysiske systemer, selv ekstremt komplekse, såsom gasser eller sorte huller, er indkapslet af en enkelt funktion, dens entropi.

Der er dog en komplikation. Princippet om entropi er kendt for at gælde for alle klassiske systemer, men i dag udforsker vi i stigende grad kvanteverdenen.

Vi gennemgår nu en kvanterevolution, og det bliver afgørende vigtigt at forstå, hvordan vi kan udvinde og transformere de dyre og skrøbelige kvanteressourcer. Især kvantesammenfiltring, som giver mulighed for betydelige fordele inden for kommunikation, beregning og kryptografi, er afgørende, men på grund af dens ekstremt komplekse struktur er det typisk meget mere udfordrende at manipulere den og endda forstå dens grundlæggende egenskaber end i tilfældet med termodynamik. .

Vanskeligheden ligger i, at en sådan "anden lov" for kvantesammenfiltring ville kræve, at vi viser, at sammenfiltringstransformationer kan gøres reversible, ligesom arbejde og varme kan konverteres indbyrdes i termodynamikken.

Det er kendt, at reversibilitet af entanglement er meget sværere at sikre end reversibiliteten af ​​termodynamiske transformationer, og alle tidligere forsøg på at etablere nogen form for en reversibel teori om entanglement er mislykkedes. Det var endda mistanke om, at sammenfiltring faktisk kunne være irreversibel, hvilket gjorde søgen umulig.

I deres nye værk, udgivet i Nature Communications , løser forfatterne denne langvarige formodning ved at bruge probabilistiske sammenfiltringstransformationer, som kun garanteres at lykkes noget af tiden, men som til gengæld giver en øget kraft til at konvertere kvantesystemer.

Under sådanne processer viser forfatterne, at det faktisk er muligt at etablere en reversibel ramme for entanglement-manipulation, og dermed identificere en indstilling, hvor en unik entanglement-entropi opstår, og alle entanglement-transformationer er styret af en enkelt størrelse. De metoder, de brugte, kunne anvendes mere bredt og viser lignende reversibilitetsegenskaber også for mere generelle kvanteressourcer.

Ifølge Regula, "Vores resultater markerer betydelige fremskridt i forståelsen af ​​de grundlæggende egenskaber ved sammenfiltring, afslører fundamentale forbindelser mellem sammenfiltring og termodynamik, og det er afgørende, at det giver en større forenkling i forståelsen af ​​forviklingskonverteringsprocesser.

"Dette har ikke kun umiddelbare og direkte anvendelser i grundlaget for kvanteteori, men det vil også hjælpe med at forstå de ultimative begrænsninger for vores evne til effektivt at manipulere sammenfiltring i praksis."

Med et blik på fremtiden fortsætter han:"Vores arbejde fungerer som det allerførste bevis på, at reversibilitet er et opnåeligt fænomen i entanglement-teorien. Der er dog blevet formodet endnu stærkere former for reversibilitet, og der er håb om, at sammenfiltring kan gøres reversibel selv under svagere antagelser, end vi har gjort i vores arbejde – især uden at skulle stole på sandsynlige transformationer.

"Spørgsmålet er, at besvarelsen af ​​disse spørgsmål forekommer betydeligt vanskeligere, hvilket kræver løsning af matematiske og informationsteoretiske problemer, der har unddraget sig alle forsøg på at løse dem indtil videre. At forstå de præcise krav til reversibilitet for at holde, forbliver således et fascinerende åbent problem."

Flere oplysninger: Bartosz Regula et al., Reversibilitet af kvanteressourcer gennem probabilistiske protokoller, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47243-2

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af RIKEN