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        在法国工程师和物理学家萨迪·卡诺 （Sadi Carnot） 制定热力学第二定律 200 多年后，一个国际研究小组为量子世界推出了一个类似的定律。 纠缠纵第二定律证明，就像理想化热力学体系中的热或能一样，纠缠可以被可逆地纵，这一说法直到现在都受到了激烈的争议。 这项新研究 - 于 2025 年 7 月 2 日发布在 物理评论快报 -加深对纠缠基本特性的理解，并为如何在实践中有效纵纠缠和其他量子现象提供关键的基础见解。

         纠缠可以说是量子力学的核心特征。 如果说两个微观粒子是纠缠的，那么如果有人测量其中一个粒子的量子性质，然后对其纠缠的伙伴重复测量，他们总是会发现这对粒子是相关的，甚至当两个粒子相距很远时。 因此，了解一个粒子的状态会自动提供有关另一个粒子的信息。 纠缠是在大约 90 年前引入的，如果将其视为对自然的完整描述，它证明了量子理论的荒谬性。 然而，这在今天并不被认为是荒谬的。 在详尽地证明了纠缠在现实世界中的真实性之后，它现在是量子信息论的关键资源，允许量子隐形传态和量子密码学，并在量子计算、通信和精密测量方面具有显著优势。

         尽管纠缠似乎仍然与我们生活的世界体验相悖，但研究人员已经发现了与更熟悉的事物——热力学——的惊人相似之处。 事实上，量子纠缠理论和热力学理论之间已经出现了许多相似之处。 例如，“纠缠熵”是理想化、无噪声的特征模拟热力学熵作用的量子系统。 然而，一个等同于热力学第二定律的定律——它表明过程趋向于增加无序（上述熵），并且完美的可逆性是一个可以实现的，尽管罕见且高效的理想——仍然顽固地遥不可及。 在这里，可逆性不是指时间对称性，而是指外部代理将系统纵到不同状态的能力，然后将其作回初始状态而不会造成任何损失。 “找到类似于热力学第二定律的第二定律一直是量子信息科学中的一个悬而未决的问题，”该研究的合著者 Tulja Varun Kondra 说。 “解决这个问题一直是我们的主要动力。”

         解决此问题的许多工作都集中在这样一种情况下：两个遥远的方（通常称为 Alice 和 Bob）想要交换量子信息，但仅限于在本地对其量子进行作系统进行通信，并通过电话或互联网等传统方式进行通信。 这种对本地作和经典通信 （LOCC） 的限制简化了这种情况，这意味着无论 Alice 和 Bob 做什么，他们都无法影响其量子系统之间纠缠的固有非局部属性。

         “众所周知，在这种情况下，在 LOCC作下，纠缠是不可逆的，”该研究的主要作者 Alexander Streltsov 解释说。 “所以问题是，我们能否以某种方式超越LOCC 以有意义的方式恢复可逆性？ 该团队的答案是“是的”，只要 Alice 和 Bob 共享一个额外的纠缠系统：纠缠电池。

         就像普通电池储存能量可用于在热力学背景下注入或储存功一样，纠缠电池注入并储存纠缠。 电池可以在状态转换过程中使用，并且可以更改电池本身的状态来执行作。 只有一条规则：无论 Alice 和 Bob 做什么，他们都不能降低电池内的纠缠水平。

         正如普通电池可以执行没有电池就无法完成的任务一样，纠缠电池也是如此。 通过使用他们假设的纠缠电池协助标准 LOCC作，该团队证明了任何混合状态纠缠变换都可以完全可逆。

         这一成就是对关于纠缠纵通常是否是可逆的争论。 但这项工作更重要的成果是，研究人员已经证明，他们开发的方法适用于混合状态纠缠变换之外，使他们能够利用纠缠电池来验证各种情况下的可逆性。 证明跨所有量子态的纠缠作都是可逆的，有望导致纠缠的第二定律系列操纵。

         纠缠电池甚至可以在纠缠理论之外找到用途。 例如，相同的原理适用于涉及两个以上纠缠粒子的系统，为理解和纵复杂的量子网络铺平了道路，并可能为开发未来的高效量子技术铺平了道路。 此外，将纠缠电池的概念推广到资源电池——一个参与转换的附加量子系统过程而不减少相关资源 - 可以允许基于最少的假设集系统地证明整个量子物理学的可逆性。 “我们可以有一个应该保持相干性或自由能的电池，然后我们可以在这种情况下构建一个可逆框架，而不是纠缠，而是可逆地纵我们系统的特定资源，”Streltsov 说。 “尽管许多其他可逆性原则已经通过其他方法得到证实，我们的技术提供了一个基于成熟物理原理的统一证明框架。