Квантовая запутанность – одно из самых странных и непонятных явлений в мире квантовой механики. Она описывает ситуацию, когда две или более частицы оказываются настолько тесно связанными, что их невозможно рассматривать по отдельности, даже если они находятся на огромном расстоянии друг от друга. Изменение состояния одной частицы мгновенно влияет на состояние другой – нечто, что сильно озадачивало даже самого Эйнштейна.
Но теперь пара ученых из Японии и Нидерландов выдвинула удивительную гипотезу: квантовая запутанность может разделять фундаментальную связь с физикой, лежащей в основе работы паровых машин, сушки наших носков и даже течением стрелы времени!
Бартош Регула из Центра квантовых вычислений RIKEN в Японии и Лудовико Лами из Университета Амстердама предположили, что квантовая запутанность может подчиняться универсальному свойству, которое также управляет всеми преобразованиями в термодинамике. Это свойство, если оно действительно существует, дало бы физикам способ измерять и сравнивать запутанность за пределами простого подсчета кубитов – базовых единиц квантовой информации.
В термодинамике обратимость описывает идеальные процессы, которые можно развернуть так, что система и Вселенная в целом эффективно не изменятся. Например, превращение воды в пар с помощью тепла может приводить в движение поршень, в то время как поршень, толкающий пар, может вернуть его в нагретое жидкое состояние.
Если запутанные состояния также можно “развернуть”, даже теоретически, это может означать, что существуют и другие сходства с термодинамикой, указывающие на более глубокую истину в квантовой механике. “Наша работа служит первым свидетельством того, что обратимость – достижимое явление в теории запутанности”, – говорит Регула.
Причина, по которой это так важно, заключается в том, что обратимые процессы могут указывать на наличие “квантовой энтропии” – аналога термодинамической энтропии, которая в классической физике диктует направление потока времени. Согласно второму закону термодинамики, энтропия во Вселенной всегда увеличивается – беспорядок растет, упорядоченные системы становятся менее упорядоченными.
Если нечто подобное справедливо и для квантовой запутанности, это может дать физикам ключ к пониманию фундаментальных ограничений на манипуляции с запутанными частицами – критически важное знание для разработки квантовых компьютеров и других устройств, основанных на квантовых принципах.
“Понимание точных требований для соблюдения обратимости остается захватывающей нерешенной проблемой”, – признает Регула. В прошлом году пара ученых публиковала работу, в которой, казалось бы, отвергалась возможность подобной “второй квантовой термодинамики” для запутанности.
Однако новые расчеты Регулы и Лами, использующие вероятностные квантовые преобразования, которые работают только иногда, но предоставляют больше возможностей, показывают, что обратимая структура для запутанности может быть возможна.
Конечно, продемонстрировать, как на практике могут работать преобразования запутанных частиц, а не просто показать, что это статистически возможно, требует решения математических проблем, которые до сих пор ускользали от всех попыток их решения. Тем не менее, сама идея объединяющей квантовую запутанность и термодинамику общей теории чрезвычайно привлекательна.
В конце концов, квантовая механика и термодинамика – две, казалось бы, совершенно разные теории, описывающие явления на совершенно разных масштабах. Первая управляет поведением крошечных элементарных частиц, вторая – макроскопическими объектами вроде газов и жидкостей. И все же исследования Регулы и Лами предполагают, что между ними может существовать глубокая связь, указывающая на более фундаментальную теорию, объединяющую эти две области физики.
Хотя доказательство и реализация такой “квантовой термодинамики” все еще далеки, сама идея является захватывающей и открывает новые перспективы в нашем понимании законов природы. Кто знает, возможно, в один прекрасный день паровая машина станет для нас таким же ключом к пониманию тайн Вселенной, как и самый продвинутый квантовый компьютер?
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Читайте также: Квантового мира не существует
