Deze bevinding zou kunnen bijdragen aan een beter begrip van kwantumverstrengeling, een belangrijke hulpbron die ten grondslag ligt aan een groot deel van de kracht van toekomstige kwantumcomputers. Er is momenteel weinig bekend over de optimale manieren om er effectief gebruik van te maken, ondanks dat dit al tientallen jaren de focus is van onderzoek in de kwantuminformatiewetenschap.

De tweede wet van de thermodynamica, die zegt dat een systeem nooit naar een toestand met lagere entropie of orde kan overgaan, is een van de meest fundamentele natuurwetten en vormt de kern van de natuurkunde. Het is wat de ‘pijl van de tijd’ creëert en ons het opmerkelijke feit vertelt dat de dynamiek van algemene fysieke systemen, zelfs extreem complexe systemen zoals gassen of zwarte gaten, wordt ingekapseld door één enkele functie, de entropie ervan.

Er is echter een complicatie. Het is bekend dat het principe van entropie van toepassing is op alle klassieke systemen, maar tegenwoordig verkennen we steeds meer de kwantumwereld.

We maken nu een kwantumrevolutie door en het wordt van cruciaal belang om te begrijpen hoe we de dure en kwetsbare kwantumbronnen kunnen extraheren en transformeren. Met name kwantumverstrengeling, die aanzienlijke voordelen biedt op het gebied van communicatie, berekeningen en cryptografie, is van cruciaal belang, maar vanwege de extreem complexe structuur is het efficiënt manipuleren ervan en zelfs het begrijpen van de basiseigenschappen ervan doorgaans veel uitdagender dan in het geval van de thermodynamica. .

De moeilijkheid ligt in het feit dat een dergelijke ‘tweede wet’ voor kwantumverstrengeling ons zou vereisen aan te tonen dat verstrengelingstransformaties omkeerbaar kunnen worden gemaakt, net zoals arbeid en warmte onderling kunnen worden omgezet in de thermodynamica.

Het is bekend dat de omkeerbaarheid van verstrengeling veel moeilijker te garanderen is dan de omkeerbaarheid van thermodynamische transformaties, en alle eerdere pogingen om enige vorm van een omkeerbare theorie van verstrengeling vast te stellen zijn mislukt. Er werd zelfs vermoed dat verstrengeling wel eens onomkeerbaar zou kunnen zijn, waardoor de zoektocht onmogelijk zou worden.

In hun nieuwe werk, gepubliceerd in Nature Communications , lossen de auteurs dit al lang bestaande vermoeden op door gebruik te maken van probabilistische verstrengelingstransformaties, die slechts een deel van de tijd gegarandeerd succesvol zullen zijn, maar die in ruil daarvoor een grotere kracht bieden bij het converteren van kwantumsystemen.

Met dergelijke processen laten de auteurs zien dat het inderdaad mogelijk is om een ​​omkeerbaar raamwerk voor verstrengelingsmanipulatie op te zetten, waardoor een omgeving wordt geïdentificeerd waarin een unieke entropie van verstrengeling ontstaat en alle verstrengelingstransformaties worden beheerst door een enkele grootheid. De methoden die ze gebruikten zouden breder kunnen worden toegepast, waarbij soortgelijke omkeerbaarheidseigenschappen ook voor meer algemene kwantumbronnen kunnen worden aangetoond.

Volgens Regula:"Onze bevindingen markeren aanzienlijke vooruitgang in het begrijpen van de basiseigenschappen van verstrengeling, waarbij fundamentele verbanden tussen verstrengeling en thermodynamica worden onthuld, en, cruciaal, een grote vereenvoudiging wordt geboden in het begrip van verstrengelingsconversieprocessen.

"Dit heeft niet alleen directe en directe toepassingen in de fundamenten van de kwantumtheorie, maar het zal ook helpen bij het begrijpen van de ultieme beperkingen van ons vermogen om verstrengeling in de praktijk efficiënt te manipuleren."

Kijkend naar de toekomst vervolgt hij:‘Ons werk dient als het allereerste bewijs dat omkeerbaarheid een haalbaar fenomeen is in de verstrengelingstheorie. Er zijn echter nog sterkere vormen van omkeerbaarheid vermoed, en er is hoop dat verstrengeling zelfs onder omstandigheden omkeerbaar kan worden gemaakt. zwakkere aannames dan we in ons werk hebben gedaan – met name zonder te hoeven vertrouwen op probabilistische transformaties.

"Het probleem is dat het beantwoorden van deze vragen aanzienlijk moeilijker lijkt, waardoor de oplossing nodig is van wiskundige en informatietheoretische problemen die alle pogingen om ze tot nu toe op te lossen hebben ontweken. Het begrijpen van de precieze vereisten voor het behouden van omkeerbaarheid blijft dus een fascinerend open probleem."

Meer informatie: Bartosz Regula et al, Omkeerbaarheid van kwantumbronnen door middel van probabilistische protocollen, Natuurcommunicatie (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47243-2

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door RIKEN