Kwantumverstrengeling heeft mogelijk een diepe connectie met stoommachines

na een jaar Alles behalve dat de mogelijkheid wordt uitgeslotenTwee theoretische natuurkundigen uit Japan en Nederland hebben ontdekt dat kwantumverstrengeling iets fundamenteels gemeen heeft met de fysica die stoommachines aandrijft, sokken droogt en misschien de pijl van de tijd in één richting laat wijzen.

Deze universele eigenschap zou, als deze werkelijk zou bestaan ​​zoals zij suggereren, alle overgangen tussen verstrengelde systemen beheersen en natuurkundigen een manier bieden om verstrengeling te meten en te vergelijken, afgezien van het tellen van qubits – en om hun grenzen te kennen bij het omgaan met verstrengelde paren.

Kwantumverstrengeling, de neiging van de kwantummysteries van verschillende objecten om wiskundig te combineren, is een fundamenteel onderdeel van… Kwantitatieve statistieken Samen met overlay. Wanneer deeltjes, atomen of moleculen met elkaar verstrengeld zijn, zegt iets over de een ons iets over de ander.

Bij het nastreven van deze computerdromen zijn natuurkundigen vooral geïnteresseerd geweest in de manier waarop ze twee moleculen in een verstrengelde toestand kunnen binden en ze niet kunnen verstoren, zodat ze niet uit elkaar vallen en op betrouwbare wijze informatie over grote afstanden kunnen verzenden.

Er is echter minder aandacht besteed aan de vraag of het mogelijk is om verstrengelde deeltjes van de ene kwantumtoestand naar de andere te transformeren, hoe moeilijk dit is, hoeveel mogelijke arrangementen er zijn en of het verstrengelingsproces uiteindelijk omkeerbaar is.

In de thermodynamica beschrijft omkeerbaarheid ideale processen die ongedaan kunnen worden gemaakt op een manier die het systeem – en het universum – vrijwel onveranderd laat. Door bijvoorbeeld water met warmte in stoom om te zetten, kan een zuiger worden aangedreven, terwijl een zuiger die stoom voortstuwt het water weer in een hete vloeibare toestand kan brengen.

Als verstrengelde staten ook ongedaan zouden kunnen worden gemaakt, zelfs in theorie, zou dat andere parallellen met hen impliceren Thermodynamica Het zou kunnen wijzen op een diepere waarheid in de kwantummechanica.

“Ons werk vertegenwoordigt het eerste bewijs dat omkeerbaarheid een realiseerbaar fenomeen is in de verstrengelingstheorie.” Hij zegt Kwantumfysicus Bartosz Regula van het RIKEN Center for Quantum Computing in Japan, die aan het onderzoek samenwerkte met Ludovico Lamy van de Universiteit van Amsterdam.

“Dit heeft niet alleen directe en directe toepassingen in de fundamenten van de kwantumtheorie, maar zal ook helpen de ultieme beperkingen te begrijpen van ons vermogen om efficiënt om te gaan met verstrengeling in de praktijk.” Toevoegen.

Omgekeerde processen kunnen in werkelijkheid niet plaatsvinden, bedankt Tweede wet van de thermodynamica. Het komt neer op een concept dat bekend staat als EntropieHet dicteert dat elke nieuwe staat in een gesloten systeem waarschijnlijk niet de energie zal hebben die nodig is om de richting na de verandering volledig om te keren.

Wil je deze zuiger omkeren? Je zult energie ergens anders vandaan moeten halen. Omdat het universum een ​​gesloten systeem is en nergens anders energie vandaan kan halen, zal de entropie van het universum voor altijd toenemen.

Gezien de sterke relatie tussen entropie en omkeerbaarheid in de thermodynamica, zou het identificeren van parallellisme in verstrengeling diepgaande implicaties kunnen hebben voor het begrijpen van kwantumtransformaties.

Om de ‘entropie’ van verstrengeling te creëren, moesten Regula en Lamy bewijzen dat verstrengelingstransformaties inderdaad omkeerbaar konden worden gemaakt, net zoals arbeid en warmte kunnen worden getransformeerd in de thermodynamica.

De suggestie dat er een soort ‘entropie’ van verstrengeling bestaat, is een verrassende verschuiving van Regula en Lammy, die vorig jaar een artikel publiceerden De studie erin Natuurfysica die beweerde dat “er sowieso geen tweede wet van verstrengelingsmanipulatie bestaat”.

de man ik ben klaar Dat aangezien verstrengelde deeltjes altijd zouden resulteren in enig verlies van die verstrengeling, die nooit volledig hersteld zou kunnen worden, het onmogelijk zou zijn om de ene kwantumtoestand, of hulpbron, om te zetten in een andere en weer terug.

“We kunnen concluderen dat geen enkele grootheid, zoals verstrengelingsentropie, ons alles kan vertellen wat er te weten valt over de toegestane transformaties van verstrengelde fysieke systemen.” Al-Lami zei destijds.

Maar die resultaten hebben hen niet afgeschrikt. Integendeel, dat zijn ze Ik dacht dat hij het voorstelde Als er een uniforme verstrengelingstheorie zou bestaan, zou deze veel complexer zijn geweest dan de klassieke wetten van de thermodynamica. Dus blijven ze de cijfers analyseren.

Hun laatste demonstratie, waarbij gebruik wordt gemaakt van probabilistische verstrengelingstransformaties, die slechts een deel van de tijd werken maar meer kracht bieden, laat zien dat een raamwerk voor omgekeerde verstrengeling mogelijk kan zijn.

Maar Regula geeft toe Om uit te leggen hoe transformaties van verstrengelde deeltjes in de praktijk werken, en niet alleen te laten zien dat ze statistisch mogelijk zijn, moeten we wiskundige problemen aanpakken ‘die tot nu toe alle pogingen om ze op te lossen hebben vermeden’.

Bovendien wijkt het werk van het duo af van eerdere pogingen om enkele kwantumtransformaties te karakteriseren, omdat het alleen rekening houdt met transformaties die met bepaalde waarschijnlijkheden kunnen worden bereikt – hoe erg klein deze kansen ook mogen zijn. Als gevolg hiervan zijn deze waarschijnlijkheden mogelijk niet voldoende om het bestaan ​​van herhaalbare en omkeerbare transformaties van verstrengelde toestanden in de praktijk te bewijzen.

“Het begrijpen van de exacte vereisten voor omkeerbaarheid blijft een fascinerend open probleem.” zegt Regula.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.