科学家证明量子纠缠确实存在熵

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RIKEN量子计算中心的BartoszRegula和阿姆斯特丹大学的LudovicoLami通过概率计算表明,正如假设的那样,量子纠缠现象确实存在熵规则。

这一发现有助于更好地理解量子纠缠,量子纠缠是未来量子计算机大部分功能的关键资源。尽管几十年来它一直是量子信息科学研究的焦点,但目前人们对有效利用它的最佳方法知之甚少。

热力学第二定律指出,系统永远不可能进入较低熵或有序的状态,是最基本的自然定律之一,也是物理学的核心。它创造了“时间之箭”,并告诉我们一个值得注意的事实:一般物理系统的动力学,甚至是极其复杂的系统,例如气体或黑洞,也被一个单一的函数——熵——所封装。

然而,有一个复杂的情况。众所周知,熵原理适用于所有经典系统,但今天我们越来越多地探索量子世界。

我们现在正在经历一场量子革命,了解如何提取和转化昂贵而脆弱的量子资源变得至关重要。特别是,量子纠缠在通信、计算和密码学方面具有显着的优势,这一点至关重要,但由于其极其复杂的结构,有效地操纵它甚至理解它的基本属性通常比热力学更具挑战性。。

困难在于这样一个量子纠缠的“第二定律”需要我们证明纠缠变换是可逆的,就像热力学中功和热可以相互转换一样。

众所周知,纠缠的可逆性比热力学变换的可逆性更难保证,之前所有建立任何形式的可逆纠缠理论的尝试都失败了。人们甚至怀疑纠缠实际上可能是不可逆转的,使得这一任务成为不可能的任务。

在发表在《自然通讯》上的新作品中,作者通过使用概率纠缠变换解决了这个长期存在的猜想,这种变换只能保证在某些时候成功,但作为回报,它在转换量子系统方面提供了更大的能力。

在这样的过程下,作者表明确实有可能建立一个用于纠缠操纵的可逆框架,从而确定一种设置,在该设置中出现独特的纠缠熵,并且所有纠缠变换都由单个量控制。他们使用的方法可以更广泛地应用,对于更通用的量子资源也显示出类似的可逆性特性。

雷古拉表示:“我们的发现标志着在理解纠缠的基本性质方面取得了重大进展,揭示了纠缠与热力学之间的基本联系,最重要的是,它大大简化了对纠缠转换过程的理解。

“这不仅在量子理论的基础上有直接的应用,而且还有助于理解我们在实践中有效操纵纠缠的能力的最终限制。”

展望未来,他继续说道:“我们的工作是第一个证据,证明可逆性是纠缠理论中可以实现的现象。然而,我们已经猜想出了更强的可逆性形式,并且即使在比我们在工作中所做的假设更弱——特别是,无需依赖概率变换。

“问题在于,回答这些问题似乎更加困难,需要解决数学和信息论问题,而迄今为止,这些问题已经回避了所有解决这些问题的尝试。因此,理解可逆性保持的精确要求仍然是一个令人着迷的开放问题。”

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