Запутанность, возможно, является центральной особенностью квантовой механики. Если говорят, что две микроскопические частицы запутаны, то если кто-то измерит квантовое свойство одной из частиц, а затем повторит измерение на ее спутанном партнере, он всегда обнаружит, что пара коррелирована, даже когда две частицы разделены огромными расстояниями. Следовательно, знание состояния одной частицы автоматически дает информацию о другой. Запутанность была введена около 90 лет назад как доказательство абсурдности квантовой теории, если рассматривать ее как полное описание природы. Однако сегодня это не считается абсурдным. После исчерпывающих доказательств подлинности запутанности в реальном мире она теперь является ключевым ресурсом в квантовой теории информации, позволяющим осуществлять квантовую телепортацию и квантовую криптографию, а также предлагающим значительные преимущества в квантовых вычислениях, коммуникации и прецизионных измерениях.

Хотя запутанность все еще кажется противоречащей нашему жизненному опыту, исследователи обнаружили поразительные параллели с чем-то гораздо более знакомым: термодинамикой. На самом деле, между теориями квантовой запутанности и термодинамики обнаружилось много общего. Например, "энтропия запутанности" - это характеристика идеализированных, бесшумных квантовых систем, которая имитирует роль термодинамической энтропии.

Однако эквивалент второму закону термодинамики, который диктует, что процессы имеют тенденцию к возрастанию беспорядка (вышеупомянутая энтропия) и что совершенная обратимость является достижимым, хотя и редким и высокоэффективным идеалом, упорно оставался недосягаемым. Здесь обратимость относится не к временной симметрии, а к способности внешнего агента переводить систему в другое состояние, а затем возвращать ее в исходное состояние без каких-либо потерь. "Поиск второго закона, аналогичного второму закону термодинамики, был открытой проблемой в квантовой информатике", - говорит соавтор исследования Тулджа Варун Кондра. "Решение этой проблемы было нашей главной мотивацией".

Большая часть работы по решению этой проблемы была сосредоточена на сценарии, в котором две удаленные стороны (часто называемые Алисой и Бобом) хотят обмениваться квантовой информацией, но ограничены в действиях локально в своих квантовых системах и общаются классическим способом, скажем, по телефону или Интернету. Это ограничение локальными операциями и классической связью (LOCC) упрощает ситуацию, а это означает, что что бы ни делали Алиса и Боб, они не могут повлиять на изначально нелокальные свойства запутанности между их квантовыми системами.

"Известно, что при операциях LOCC в этом сценарии запутывание необратимо", - объясняет ведущий автор исследования Александр Стрельцов. "Итак, вопрос в том, можем ли мы каким-то образом выйти за рамки LOCC значимым образом и восстановить обратимость?" Ответ команды - "да", при условии, что у Алисы и Боба есть дополнительная запутанная система: батарея запутывания.

Точно так же, как обычная батарея накапливает энергию, которая может быть использована для ввода или сохранения работы в контексте термодинамики, батарея запутывания вводит и сохраняет запутанность. Батарея может использоваться в процессе преобразования состояния, а состояние самой батареи может быть изменено для выполнения операций. Есть только одно правило: что бы ни делали Алиса и Боб, они не должны снижать уровень запутанности внутри батареи.

И точно так же, как обычная батарея позволяет выполнять задачи, которые были бы невозможны без нее, то же самое делает и запутывающая батарея. Помогая стандартным операциям LOCC с их гипотетической батареей запутывания, команда продемонстрировала, что любое преобразование запутанности в смешанном состоянии можно сделать полностью обратимым.

Это достижение является значительным вкладом в дискуссию о том, является ли манипулирование запутанностью в целом обратимым. Но более важным результатом этой работы является то, что исследователи показали, что разработанные ими методы применимы не только для преобразования запутанности в смешанном состоянии, что позволяет им использовать батарею запутанности для проверки обратимости в различных сценариях. Ожидается, что доказательство того, что манипуляции с запутанностью во всех квантовых состояниях обратимы, приведет к семейству вторых законов для манипулирования запутанностью.

Батарея запутывания может даже найти применение за пределами теории запутывания. Например, те же принципы применимы к системам, включающим более двух запутанных частиц, прокладывая путь к пониманию сложных квантовых сетей и манипулированию ими и, возможно, к разработке будущих высокоэффективных квантовых технологий.

Кроме того, обобщение концепции батареи запутывания на ресурсную батарею - дополнительную квантовую систему, которая участвует в процессе преобразования без уменьшения рассматриваемого ресурса, - могло бы позволить систематически демонстрировать обратимость в квантовой физике, основываясь на минимальном наборе допущений. "У нас может быть батарея, которая, как предполагается, сохраняет когерентность или свободную энергию, и затем мы можем сформулировать обратимую структуру в этих условиях, где вместо запутывания мы обратимо манипулируем этим конкретным ресурсом нашей системы", - говорит Стрельцов. "Хотя многие из этих принципов обратимости уже были подтверждены с помощью других подходов, наша методика предлагает единую систему доказательств, основанную на хорошо зарекомендовавших себя физических принципах".