在几乎排除了这种可能性一年后,来自日本和荷兰的两位理论物理学家发现,量子纠缠与驱动蒸汽机、烘干袜子、甚至可能使时间之箭指向一个方向的物理学有着根本的共同点。
如果这一普遍性质真的像他们所说的那样存在,它将控制纠缠系统之间的所有转换,并为物理学家提供一种测量和比较纠缠的方法,而不仅仅是计算量子位,并了解它们操纵纠缠对的极限。
量子纠缠,即不同物体的量子模糊性在数学上融合的趋势,与叠加一起是量子计算的基本组成部分。当粒子、原子或分子纠缠在一起时,了解其中一个告诉另一个。
在追求实现这些计算梦想的过程中,物理学家们主要关心的是如何将两个粒子纠缠成纠缠状态,而不干扰它们,这样它们就不会散开,并且可以可靠地远距离传输信息。
然而,人们很少考虑纠缠粒子是否可以从一种量子态转化为另一种量子状态,这将有多困难,存在多少可能的排列,以及纠缠过程最终是否可逆。
在热力学中,可逆性描述了可以以一种使系统和宇宙有效保持不变的方式撤销的理想过程。例如,通过加热将水转化为蒸汽可以驱动活塞,而活塞推动蒸汽可以使其返回到加热的液体状态。
如果纠缠态也可以被撤销,即使在理论上也是如此,这可能意味着与热力学的其他相似之处可能指向量子力学中更深层次的真理。
日本理研量子计算中心的量子物理学家Bartosz Regula与阿姆斯特丹大学的Ludovico Lami合作进行了这项研究,他说:“我们的工作首次证明了可逆性是纠缠理论中可以实现的现象。”。
Regula补充道:“这不仅在量子理论的基础上有着直接的应用,而且有助于理解我们在实践中有效操纵纠缠能力的最终局限性。”。
由于热力学第二定律,可逆过程在现实中不可能发生。用熵的概念概括,它表明封闭系统中的任何新状态在变化后都可能不具有完全逆转所需的能量。
想把活塞倒过来吗?你需要从其他地方汲取能量。由于宇宙是一个封闭的系统,无法从其他地方获得能量,它的熵将永远增加。
考虑到热力学中熵和可逆性之间的强烈关系,识别纠缠中的平行态可能对理解量子变换具有深远的意义。
为了建立纠缠的“熵”,Regula和Lami必须证明纠缠变换确实可以是可逆的,就像功和热可以在热力学中转换一样。
Regula和Lami提出存在某种纠缠“熵”的说法是一个突然的转变,他们去年在《自然物理学》上发表了一项研究,声称“根本不存在纠缠操纵的第二定律”。
这两人得出的结论是,由于纠缠粒子总是会导致这种纠缠的一些损失,而这种损失永远无法完全恢复,因此不可能将一种量子态或资源转换为另一种量子状态或资源,然后再转换回来。
拉米当时说:“我们可以得出结论,没有任何一个量,比如纠缠熵,可以告诉我们关于纠缠物理系统的允许变换的一切。”。
但这些发现并没有阻止他们。相反,他们认为这表明,一个统一的纠缠理论,如果存在的话,远比经典热力学定律复杂。所以他们不停地计算数字。
他们的最新成果是使用概率纠缠变换,这种变换只在一定时间内起作用,但提供了更多的功率,这表明纠缠的可逆框架可能是可能的。
但雷古拉承认,证明纠缠粒子的变换在实践中是如何工作的,而不仅仅是表明它在统计上是可能的,还涉及到解决“迄今为止所有试图解决的数学问题”
更重要的是,这对研究人员的工作与之前描述某些量子变换的尝试有所不同,因为它只考虑了在一定概率下可以实现的变换——无论这些可能性多么小。因此,这些概率可能不足以证明在实践中纠缠态存在可重复、可逆的变换。
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