纠缠电池的量子可逆性
就在法国工程师兼物理学家萨迪·卡诺提出热力学第二定律 200 多年后，一个国际研究小组公布了量子世界的类似定律。 纠缠纵的第二定律证明，就像理想化热力学状态中的热或能量一样，纠缠可以被可逆纵，这一说法迄今为止一直受到激烈争议。 这项新研究——2025年7月2日发布在《物理评论快报》-加深对纠缠基本属性的理解，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本见解。 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，甚至当两个粒子相隔很远的距离时。 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。 纠缠大约在 90 年前被引入，作为量子理论荒谬的证明，如果将其视为对自然的完整描述。 然而，今天它并不被认为是荒谬的。 在详尽地证明纠缠在现实世界中的真实性后，它现在是量子信息论中的关键资源，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着优势。 尽管纠缠似乎仍然违反我们对世界的生活体验，但研究人员发现了与更熟悉的东西的惊人相似之处：热力学。 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、无噪声的特征模仿热力学熵作用的量子系统。 然而，相当于热力学第二定律的定律——它决定过程趋于增加无序（前面提到的熵），并且完美的可逆性是一个可以实现但罕见且高效的理想——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，然后将其纵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。” 解决这个问题的许多工作都集中在这样一种场景上，在这种情况下，两个遥远的各方（通常称为 Alice 和 Bob）想要交换量子信息，但被限制在本地对他们的量子采取行动系统和传统通信，例如通过电话或互联网。 这种对局部运算和经典通信 （LOCC） 的限制简化了这种情况，这意味着无论 Alice 和 Bob 做什么，它们都无法影响其量子系统之间纠缠的内在非局部特性。 “众所周知，在这种情况下，在 LOCC作下，纠缠是不可逆转的，”该研究的主要作者 Alexander Streltsov 解释道。 “所以问题是，我们能否以某种方式超越以有意义的方式进行 LOCC，并恢复可逆性？ 团队的答案是“是”，只要爱丽丝和鲍勃共享一个额外的纠缠系统：纠缠电池。 就像普通电池存储能量一样，在热力学背景下可用于注入或存储功，纠缠电池也注入并存储纠缠。 电池可以用于状态转换过程，可以改变电池本身的状态来进行作。 只有一条规则：无论爱丽丝和鲍勃做什么，他们都不能降低电池内的缠绕程度。 正如普通电池可以执行没有电池就不可能执行的任务一样，纠缠电池也是如此。 通过使用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转换都可以完全可逆。 这一成就是对关于纠缠纵是否通常是可逆的争论。 但这项工作的一个更重要的成果是，研究人员已经表明，他们开发的方法适用于混合态纠缠变换之外，使他们能够利用纠缠电池来验证各种场景下的可逆性。 证明所有量子态的纠缠纵都是可逆的，预计将导致纠缠第二定律家族操纵。 纠缠电池甚至可以在纠缠理论之外找到用途。 例如，同样的原理也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以及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——参与转化的附加量子系统在不减少相关资源的情况下进行过程 - 可以允许基于一组最小的假设系统地证明整个量子物理学的可逆性。 “我们可以拥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制定一个可逆的框架，我们不是纠缠，而是可逆地纵我们系统的特定资源，”斯特列尔佐夫说。 “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的物理原理的统一证明框架。