Bateria splątania siłą napędową odwracalności kwantowej
Nieco ponad dwieście lat po tym, jak francuski inżynier i fizyk Sadi Carnot sformułował drugą zasadę termodynamiki, międzynarodowa grupa badaczy odkryła analogiczne prawo dla świata kwantowego. Ich “drugie prawo manipulacji splątaniem” dowodzi, że, podobnie do ciepła i energii w wyidealizowanym reżimie termodynamicznym, splątaniem można manipulować w sposób odwracalny, co do tej pory było mocno kwestionowane. Nowe badania opublikowane 2 lipca 2025 w Physical Review Letters pogłębiają rozumienie podstawowych właściwości splątania i dostarczają istotnych, kluczowych informacji na temat tego, jak wydajnie manipulować splątaniem i innymi zjawiskami kwantowymi w praktyce.
Ilustracja baterii splątania. Bateria umożliwia odwracalną zamianę między dowolnymi dwoma stanami splątanymi. (Źródło: Second Law of Entanglement Manipulation with Entanglement Battery, Physical Review Letters, autor: Alexander Streltsov z IPPT PAN, dzięki uprzejmości American Physical Society)
Splątanie uważa się za centralny aspekt fizyki kwantowej. Jeśli przyjąć, że dwie mikroskopijne cząstki są ze sobą splątane, zmierzyć jakąś właściwość kwantową jednej z nich, a następnie powtórzyć pomiary na splątanej partnerce, zawsze okaże się, że para jest skorelowana, nawet jeśli cząstki te znajdują się w znacznej odległości od siebie. Zatem znając stan jednej z nich automatycznie otrzymujemy informacje o tej drugiej. Zjawisko splątania zostało wprowadzone około 90 lat temu jako dowód absurdalności teorii kwantowej mającej stanowić pełny obraz natury. Jednak dziś daleko mu do absurdu. Po przedstawieniu wyczerpujących dowodów na autentyczność splątania w świecie rzeczywistym, stanowi dziś kluczowy zasób w teorii informacji kwantowej, umożliwiający teleportację kwantową i kryptografię kwantową, a także przynoszący znaczące korzyści w obliczeniach kwantowych, komunikacji i precyzyjnych pomiarach.
Pomimo tego, że splątanie wciąż wydaje się sprzeczne z naszym codziennym postrzeganiem świata, naukowcy odkryli zaskakujące podobieństwo do czegoś znacznie bardziej znanego nauce: do termodynamiki. W zasadzie odkryto wiele podobieństw pomiędzy teorią splątania kwantowego a termodynamiką. Na przykład „entropia splątania” to cecha charakterystyczna wyidealizowanych, bezszumowych układów kwantowych, podobna do roli entropii termodynamicznej.
Jednak poza jakimkolwiek zasięgiem uparcie pozostaje sformułowanie odpowiednika drugiej zasady termodynamiki, która głosi, że procesy zmierzają ku wzrastającemu nieuporządkowaniu (czyli wspomnianej wcześniej entropii) oraz że doskonała odwracalność jest osiągalnym, acz rzadkim i wysoce efektywnym ideałem. W tym przypadku odwracalność nie odnosi się do symetrii czasowej, ale możliwości wprowadzenia systemu w odmienny stan przez czynnik zewnętrzny, a następnie ponownej zmiany do stanu początkowego bez żadnych strat. „Znalezienie drugiej zasady analogicznej do drugiej zasady termodynamiki stanowiło wyzwanie w dziedzinie informacji kwantowej” – mówi współautor badania, Tulja Varun Kondra. “Rozwiązanie tego problemu było naszą główną motywacją”.
Wiele badań nad tym zagadnieniem skupia się na scenariuszu, w którym dwie oddalone od siebie cząstki (często zwane Alice i Bobem) chciałyby wymieniać się informacjami kwantowymi, ale muszą się ograniczać do działań wyłącznie lokalnych w obszarze swoich systemów kwantowych i komunikować klasycznie, np. przez telefon lub internet. Ograniczenie jedynie do lokalnego działania i klasycznych metod komunikacji (z ang. LOCC) upraszcza sytuację i oznacza, że bez względu na to, co zrobią Alice i Bob, nie będą mogli wpłynąć na wewnętrznie nielokalne właściwości splątania pomiędzy ich układami kwantowymi.
„Wiemy, że działania w obrębie LOCC w zakładanym scenariuszu są nieodwracalne”, wyjaśnia główny autor badania, Alexander Streltsov z Zakładu Informatyki i Nauk Obliczeniowych IPPT PAN. „Pytanie zatem brzmi: czy da się w jakiś sensowny sposób wyjść poza LOCC i odzyskać odwracalność?” Zespół uważa, że tak, o ile Alice i Bob będą dysponowali dodatkowym układem splątania: baterią.
Tak jak klasyczna bateria magazynuje energię, którą można użyć do zasilania lub magazynowania pracy w kontekście termodynamiki, bateria splątania (z ang. entanglement battery) wprowadza i magazynuje splątanie. Może być użyta w procesach transformacji stanów, a sam stan baterii można zmieniać w celu wykonywania działań. Jest tylko jeden warunek: cokolwiek Alice i Bob zrobią, nie wolno im zmniejszyć poziomu splątania wewnątrz baterii.
Bateria splątania, tak jak zwyczajna bateria, pozwala na wykonywanie zadań bez niej niemożliwych do wykonania. Wspierając standardowe działania LOCC hipotetyczną baterią splątania, zespół udowodnił, że każdą transformację splątania w stanie mieszanym można dokładnie odwrócić.
Dokonanie to wnosi znaczący wkład w rozwój i dalszą dyskusję nad tym, czy manipulacja splątaniem jest ogólnie odwracalna. Jednak ważniejszym owocem tej pracy jest to, że naukowcy pokazali, że metody, które wypracowali, znajdują zastosowanie wykraczające poza transformację splątania w stanie mieszanym, co pozwoli wykorzystać baterię splątania w celu weryfikacji odwracalności w różnych scenariuszach. Oczekuje się, że udowodnienie odwracalności manipulacji splątaniem we wszystkich stanach kwantowych doprowadzi do sformułowania rodziny drugich praw dla manipulacji splątaniem.
Bateria splątania może nawet znaleźć zastosowanie poza teorią splątania. Te same zasady odnoszą się do układów obejmujących więcej niż dwie cząstki splątane, co otwiera drogę do zrozumienia i manipulowania złożonymi sieciami kwantowymi, a być może także do tworzenia przyszłych, wysoce wydajnych technologii kwantowych. Ponadto uogólnienie koncepcji baterii splątania do koncepcji baterii jako zasobu – dodatkowego układu kwantowego, który uczestniczy w procesie transformacji bez zmniejszania danego zasobu – mogłoby umożliwić systematyczne wykazanie odwracalności w całej fizyce kwantowej na podstawie minimalnego zestawu założeń. „Możemy mieć baterię, która ma zachowywać koherencję lub energię swobodną, a następnie sformułować w tym ujęciu odwracalny schemat, w którym zamiast splątania będziemy odwracalnie manipulować właśnie tym konkretnym zasobem naszego układu” – mówi Streltsov. „Pomimo tego, że wiele z zasad odwracalności zostało już potwierdzone innymi metodami, nasza technika przedstawia ujednolicony schemat dowodzenia oparty na solidnie ugruntowanych zasadach fizyki”.
Tłumaczenie IPPT PAN artykułu EurekAlert
