Кто сказал, что квантовый хаос нельзя отменить? Физики нашли лазейку
NewsMakerПредставьте батарейку, которая хранит не заряд, а запутанность. Она существует!
Двухвековая идея термодинамики получила неожиданное продолжение в квантовом мире: международная группа учёных сформулировала закон, аналогичный второму закону термодинамики , но применимый к запутанным квантовым состояниям. Исследование, опубликованное 2 июля 2025 года в журнале Physical Review Letters, обещает перевернуть представления о фундаментальных свойствах запутанности и её практическом использовании.
Почти ровно 200 лет назад французский инженер и физик Сади Карно заложил основы второго закона термодинамики, описывающего стремление замкнутых систем к увеличению энтропии, то есть беспорядка. С тех пор этот закон стал краеугольным камнем физики макромира. Однако квантовый мир, живущий по своим правилам, долгое время ускользал от подобных универсальных описаний.
Теперь учёным удалось продвинуться в этом направлении. Они показали, что квантовая запутанность — странное и контринтуитивное явление, при котором свойства двух или более частиц оказываются неразрывно связанными, независимо от расстояния между ними — может подчиняться аналогичному закону обратимости, напоминающему второй закон термодинамики.
Запутанность уже давно считается центральным понятием квантовой механики. Если измерить определённое свойство одной из двух запутанных частиц, то свойства второй частицы моментально оказываются определёнными, даже если она находится на другом конце Вселенной. Это свойство когда-то служило доказательством абсурдности квантовой теории, но со временем стало фундаментом квантовой информации.
Сегодня запутанность используется для квантовой телепортации , криптографии , вычислений и точных измерений. Тем не менее, несмотря на огромный практический потенциал, многие её аспекты по-прежнему остаются загадкой для физиков.
В последние десятилетия учёные заметили поразительные аналогии между теорией запутанности и термодинамикой. Например, в квантовых системах существует понятие энтропии запутанности — величины, которая напоминает классическую термодинамическую энтропию и отражает степень неопределённости или беспорядка в квантовой системе.
Однако самого главного аналога второго закона термодинамики для квантовой запутанности долгое время не существовало. В классическом мире этот закон утверждает, что процессы самопроизвольно идут к увеличению энтропии, а идеально обратимые процессы крайне редки и требуют особых условий.
Для запутанности ситуация осложнялась тем, что в условиях, когда две стороны — условные Алиса и Боб — могут действовать только локально и обмениваться классической информацией, например, по телефону или через интернет, запутанность считается необратимой. То есть, однажды преобразовав запутанные состояния, вернуть их в исходное состояние без потерь невозможно.
Именно эту задачу — поиск возможности восстановить исходную степень запутанности после её преобразования — учёные решали последние годы. Руководитель исследования Александр Стрельцов пояснил: основной вопрос заключался в том, можно ли выйти за пределы ограничений локальных операций и классической связи и добиться полной обратимости манипуляций с запутанными состояниями.
Ответ оказался утвердительным — при одном важном условии. Если Алиса и Боб разделяют между собой дополнительную запутанную систему, так называемую батарею запутанности, то процессы становятся полностью обратимыми.
Эта концепция аналогична привычной физической батарее, которая запасает энергию и позволяет выполнять работу. Батарея запутанности хранит и отдаёт запутанность, позволяя с её помощью изменять состояние квантовой системы, а затем возвращать его обратно — при этом уровень запутанности самой батареи не должен уменьшаться.
Благодаря этой гипотетической батарее учёные смогли доказать, что любые преобразования смешанных квантовых состояний, ранее считавшихся необратимыми, могут быть выполнены без потерь. Смешанные состояния — это наиболее распространённый тип состояний в реальных квантовых системах, которые подвержены шуму и взаимодействию с окружающей средой.
Однако на этом учёные не остановились. Они показали, что предложенный ими метод выходит за рамки только смешанных состояний. С помощью батареи запутанности возможно добиться обратимости для гораздо более широкого класса квантовых процессов. Фактически, их работа открывает путь к формулировке целого семейства аналогов второго закона для различных аспектов манипулирования запутанностью.
Не менее важно, что сама идея батареи запутанности может быть обобщена и применена к другим ресурсам квантовых систем. В этом случае говорят о ресурсной батарее — дополнительном квантовом объекте, который участвует в преобразованиях, не уменьшая доступный ресурс. Например, можно создать батарею, сохраняющую когерентность или свободную энергию системы, и на её основе строить аналогичный обратимый теоретический каркас.
Такой подход позволяет выстроить единую теоретическую структуру, подтверждающую возможность обратимого управления различными квантовыми ресурсами. Причём эта структура опирается на уже хорошо проверенные физические принципы, что делает её привлекательной для дальнейших исследований.
Открытие имеет потенциал далеко выходить за рамки теоретической физики. Принципы работы батареи запутанности можно применить к более сложным квантовым сетям, состоящим из множества взаимосвязанных частиц. Это значительно приблизит создание устойчивых и эффективных квантовых технологий нового поколения.
Кроме того, глубинное понимание принципов обратимости процессов в квантовых системах может сыграть ключевую роль в разработке надёжных протоколов квантовой связи и вычислений , а также в оптимизации точных измерений на квантовом уровне.
Таким образом, после десятилетий попыток нащупать фундаментальные ограничения и закономерности в мире квантовой запутанности, учёным удалось сделать шаг к формированию собственного набора физических законов, сравнимого по значимости с классическими законами термодинамики.
Двухвековая идея термодинамики получила неожиданное продолжение в квантовом мире: международная группа учёных сформулировала закон, аналогичный второму закону термодинамики , но применимый к запутанным квантовым состояниям. Исследование, опубликованное 2 июля 2025 года в журнале Physical Review Letters, обещает перевернуть представления о фундаментальных свойствах запутанности и её практическом использовании.
Почти ровно 200 лет назад французский инженер и физик Сади Карно заложил основы второго закона термодинамики, описывающего стремление замкнутых систем к увеличению энтропии, то есть беспорядка. С тех пор этот закон стал краеугольным камнем физики макромира. Однако квантовый мир, живущий по своим правилам, долгое время ускользал от подобных универсальных описаний.
Теперь учёным удалось продвинуться в этом направлении. Они показали, что квантовая запутанность — странное и контринтуитивное явление, при котором свойства двух или более частиц оказываются неразрывно связанными, независимо от расстояния между ними — может подчиняться аналогичному закону обратимости, напоминающему второй закон термодинамики.
Запутанность уже давно считается центральным понятием квантовой механики. Если измерить определённое свойство одной из двух запутанных частиц, то свойства второй частицы моментально оказываются определёнными, даже если она находится на другом конце Вселенной. Это свойство когда-то служило доказательством абсурдности квантовой теории, но со временем стало фундаментом квантовой информации.
Сегодня запутанность используется для квантовой телепортации , криптографии , вычислений и точных измерений. Тем не менее, несмотря на огромный практический потенциал, многие её аспекты по-прежнему остаются загадкой для физиков.
В последние десятилетия учёные заметили поразительные аналогии между теорией запутанности и термодинамикой. Например, в квантовых системах существует понятие энтропии запутанности — величины, которая напоминает классическую термодинамическую энтропию и отражает степень неопределённости или беспорядка в квантовой системе.
Однако самого главного аналога второго закона термодинамики для квантовой запутанности долгое время не существовало. В классическом мире этот закон утверждает, что процессы самопроизвольно идут к увеличению энтропии, а идеально обратимые процессы крайне редки и требуют особых условий.
Для запутанности ситуация осложнялась тем, что в условиях, когда две стороны — условные Алиса и Боб — могут действовать только локально и обмениваться классической информацией, например, по телефону или через интернет, запутанность считается необратимой. То есть, однажды преобразовав запутанные состояния, вернуть их в исходное состояние без потерь невозможно.
Именно эту задачу — поиск возможности восстановить исходную степень запутанности после её преобразования — учёные решали последние годы. Руководитель исследования Александр Стрельцов пояснил: основной вопрос заключался в том, можно ли выйти за пределы ограничений локальных операций и классической связи и добиться полной обратимости манипуляций с запутанными состояниями.
Ответ оказался утвердительным — при одном важном условии. Если Алиса и Боб разделяют между собой дополнительную запутанную систему, так называемую батарею запутанности, то процессы становятся полностью обратимыми.
Эта концепция аналогична привычной физической батарее, которая запасает энергию и позволяет выполнять работу. Батарея запутанности хранит и отдаёт запутанность, позволяя с её помощью изменять состояние квантовой системы, а затем возвращать его обратно — при этом уровень запутанности самой батареи не должен уменьшаться.
Благодаря этой гипотетической батарее учёные смогли доказать, что любые преобразования смешанных квантовых состояний, ранее считавшихся необратимыми, могут быть выполнены без потерь. Смешанные состояния — это наиболее распространённый тип состояний в реальных квантовых системах, которые подвержены шуму и взаимодействию с окружающей средой.
Однако на этом учёные не остановились. Они показали, что предложенный ими метод выходит за рамки только смешанных состояний. С помощью батареи запутанности возможно добиться обратимости для гораздо более широкого класса квантовых процессов. Фактически, их работа открывает путь к формулировке целого семейства аналогов второго закона для различных аспектов манипулирования запутанностью.
Не менее важно, что сама идея батареи запутанности может быть обобщена и применена к другим ресурсам квантовых систем. В этом случае говорят о ресурсной батарее — дополнительном квантовом объекте, который участвует в преобразованиях, не уменьшая доступный ресурс. Например, можно создать батарею, сохраняющую когерентность или свободную энергию системы, и на её основе строить аналогичный обратимый теоретический каркас.
Такой подход позволяет выстроить единую теоретическую структуру, подтверждающую возможность обратимого управления различными квантовыми ресурсами. Причём эта структура опирается на уже хорошо проверенные физические принципы, что делает её привлекательной для дальнейших исследований.
Открытие имеет потенциал далеко выходить за рамки теоретической физики. Принципы работы батареи запутанности можно применить к более сложным квантовым сетям, состоящим из множества взаимосвязанных частиц. Это значительно приблизит создание устойчивых и эффективных квантовых технологий нового поколения.
Кроме того, глубинное понимание принципов обратимости процессов в квантовых системах может сыграть ключевую роль в разработке надёжных протоколов квантовой связи и вычислений , а также в оптимизации точных измерений на квантовом уровне.
Таким образом, после десятилетий попыток нащупать фундаментальные ограничения и закономерности в мире квантовой запутанности, учёным удалось сделать шаг к формированию собственного набора физических законов, сравнимого по значимости с классическими законами термодинамики.