Алиса, Боб и батарейка запутанности: теперь это официальный закон
NewsMakerТо, что раньше терялось в квантовой физике, теперь можно вернуть.
Спустя чуть более двухсот лет после того, как французский инженер и физик Сади Карно сформулировал второе начало термодинамики , международная группа учёных представила аналогичный закон для квантового мира. Новый закон , опубликованный 2 июля 2025 года в журнале Physical Review Letters, доказывает, что запутанность — один из главных феноменов квантовой механики — может быть обращена без потерь, как это происходит с теплом или энергией в идеальной термодинамической системе. До сих пор возможность такого обращения вызывала споры. Исследование углубляет понимание фундаментальных свойств запутанности и даёт практические инструменты для её эффективного использования в квантовых технологиях .
Запутанность — ключевой элемент квантовой физики. Если две частицы запутаны, то, измерив свойства одной из них, можно сразу узнать свойства другой, даже если они находятся на огромном расстоянии друг от друга. Этот эффект долгое время считался абсурдным, но теперь он лежит в основе квантовой криптографии , телепортации и вычислений. Хотя квантовая запутанность до сих пор кажется чуждой повседневному опыту, она неожиданно сближается с более привычной областью — термодинамикой. Уже известны сходства между ними: например, так называемая энтропия запутанности в чистых квантовых системах играет роль, аналогичную термодинамической энтропии.
Однако до сих пор в квантовой информации не удавалось сформулировать аналог второго начала термодинамики — закона, определяющего, что любые процессы в замкнутой системе идут в сторону увеличения беспорядка, а обратимость достижима только в идеально эффективных условиях. Речь не идёт о симметрии во времени, а об управлении состоянием системы так, чтобы можно было вернуться к исходному состоянию без потерь. Соавтор исследования Тулья Варун Кондра рассказал, что именно поиск такого закона был их главной целью.
До этого момента считалось, что при использовании только локальных квантовых операций и классической связи (так называемый сценарий LOCC, в котором два участника — например, Алиса и Боб — взаимодействуют по телефону или через интернет) запутанность теряется и не может быть полностью восстановлена. Ведущий автор работы Александр Стрельцов пояснил, что основной вопрос заключался в том, можно ли выйти за рамки LOCC и добиться обратимости. Ответ оказался положительным, если у Алисы и Боба есть дополнительный общий ресурс — так называемая батарея запутанности.
Обычная батарейка хранит энергию, которую можно использовать для работы, а батарея запутанности хранит саму квантовую запутанность. Она может участвовать в преобразовании состояний, а её собственное состояние может меняться в процессе. Единственное ограничение — уровень запутанности в батарее не должен уменьшаться. Как и классическая батарейка позволяет выполнять задачи, которые без неё невозможны, батарея запутанности открывает доступ к операциям, при которых любые преобразования запутанных состояний становятся полностью обратимыми.
Исследование доказывает, что даже для так называемых смешанных квантовых состояний можно обеспечить идеальную обратимость, если использовать этот дополнительный ресурс. Однако не только это делает работу значимой. Учёные показали, что предложенные методы работают не только для преобразования запутанности, но и в других сценариях. Это позволяет говорить о целой системе "вторых законов" для квантовой запутанности .
Кроме того, сама концепция батареи может быть обобщена. К примеру, можно создать батарею, которая сохраняет другой ресурс — например, когерентность или свободную энергию. Тогда принципы обратимости можно будет применять ко всей квантовой физике на основе минимальных предположений. Таким образом, предложенный подход позволяет сформулировать единую схему доказательств обратимости, основанную на фундаментальных физических принципах.
Спустя чуть более двухсот лет после того, как французский инженер и физик Сади Карно сформулировал второе начало термодинамики , международная группа учёных представила аналогичный закон для квантового мира. Новый закон , опубликованный 2 июля 2025 года в журнале Physical Review Letters, доказывает, что запутанность — один из главных феноменов квантовой механики — может быть обращена без потерь, как это происходит с теплом или энергией в идеальной термодинамической системе. До сих пор возможность такого обращения вызывала споры. Исследование углубляет понимание фундаментальных свойств запутанности и даёт практические инструменты для её эффективного использования в квантовых технологиях .
Запутанность — ключевой элемент квантовой физики. Если две частицы запутаны, то, измерив свойства одной из них, можно сразу узнать свойства другой, даже если они находятся на огромном расстоянии друг от друга. Этот эффект долгое время считался абсурдным, но теперь он лежит в основе квантовой криптографии , телепортации и вычислений. Хотя квантовая запутанность до сих пор кажется чуждой повседневному опыту, она неожиданно сближается с более привычной областью — термодинамикой. Уже известны сходства между ними: например, так называемая энтропия запутанности в чистых квантовых системах играет роль, аналогичную термодинамической энтропии.
Однако до сих пор в квантовой информации не удавалось сформулировать аналог второго начала термодинамики — закона, определяющего, что любые процессы в замкнутой системе идут в сторону увеличения беспорядка, а обратимость достижима только в идеально эффективных условиях. Речь не идёт о симметрии во времени, а об управлении состоянием системы так, чтобы можно было вернуться к исходному состоянию без потерь. Соавтор исследования Тулья Варун Кондра рассказал, что именно поиск такого закона был их главной целью.
До этого момента считалось, что при использовании только локальных квантовых операций и классической связи (так называемый сценарий LOCC, в котором два участника — например, Алиса и Боб — взаимодействуют по телефону или через интернет) запутанность теряется и не может быть полностью восстановлена. Ведущий автор работы Александр Стрельцов пояснил, что основной вопрос заключался в том, можно ли выйти за рамки LOCC и добиться обратимости. Ответ оказался положительным, если у Алисы и Боба есть дополнительный общий ресурс — так называемая батарея запутанности.
Обычная батарейка хранит энергию, которую можно использовать для работы, а батарея запутанности хранит саму квантовую запутанность. Она может участвовать в преобразовании состояний, а её собственное состояние может меняться в процессе. Единственное ограничение — уровень запутанности в батарее не должен уменьшаться. Как и классическая батарейка позволяет выполнять задачи, которые без неё невозможны, батарея запутанности открывает доступ к операциям, при которых любые преобразования запутанных состояний становятся полностью обратимыми.
Исследование доказывает, что даже для так называемых смешанных квантовых состояний можно обеспечить идеальную обратимость, если использовать этот дополнительный ресурс. Однако не только это делает работу значимой. Учёные показали, что предложенные методы работают не только для преобразования запутанности, но и в других сценариях. Это позволяет говорить о целой системе "вторых законов" для квантовой запутанности .
Кроме того, сама концепция батареи может быть обобщена. К примеру, можно создать батарею, которая сохраняет другой ресурс — например, когерентность или свободную энергию. Тогда принципы обратимости можно будет применять ко всей квантовой физике на основе минимальных предположений. Таким образом, предложенный подход позволяет сформулировать единую схему доказательств обратимости, основанную на фундаментальных физических принципах.