科学家证明量子纠缠确实存在“熵”

科学家展示量子纠缠确实存在“熵”

RIKEN量子计算中心的Bartosz Regula和阿姆斯特丹大学的Ludovico Lami通过概率计算展示，量子纠缠现象确实存在一条“熵”规则，这一发现有助于更好地理解量子纠缠，后者是未来量子计算机力量的关键资源之一。尽管量子信息科学的研究焦点已经数十年，但目前对于有效利用量子纠缠的最佳方式仍知之甚少。

热力学第二定律表明系统永远不会转移到更低“熵”或秩序的状态，它是自然界最基本的定律之一，贯穿物理学的核心。它创造了“时间箭头”，告诉我们一个引人注目的事实，即一般物理系统的动态，即使是极其复杂的气体或黑洞等系统，都可以用一个函数——它的“熵”来概括。

然而，问题也随之而来。熵原理被认为适用于所有经典系统，但如今我们正日益探索量子世界。我们正在经历一场量子革命，因此重要性至关重要的是理解如何提取和转换昂贵且脆弱的量子资源。特别是，量子纠缠在通信、计算和密码学中具有显著优势，但由于其极其复杂的结构，有效地操纵它甚至理解其基本属性通常比热力学情况更具挑战性。

困难在于，量子纠缠的“第二定律”需要我们证明纠缠变换可以像热力学中的功和热一样可逆。众所周知，与热力学变换的可逆性相比，纠缠的可逆性要难得多，并且以前所有试图建立任何形式的可逆纠缠理论的尝试均以失败告终。甚至有人怀疑纠缠实际上可能是不可逆的，使这一探索成为不可能完成的任务。

在他们的新作品中，作者在《自然通讯》杂志上发表了一篇论文，通过使用“概率”纠缠变换，即只能在某些时候保证成功，但作为回报，却能提供增强的转化量子系统的能力。在这种过程下，作者展示了确实可以建立纠缠操作的可逆框架，从而确定了一种唯一的“纠缠熵”的出现方式，所有纠缠变换都受到单一数量的控制。他们所使用的方法可以更广泛地应用，在更一般的量子资源中也展示了类似的可逆性质。

Regula表示：“我们的发现标志着理解纠缠的基本属性取得了重大进展，揭示了纠缠与热力学之间的基本联系，并且在理解纠缠转化过程上提供了重要简化。这不仅在量子理论的基础上具有直接应用，还将有助于了解在实践中高效操纵纠缠的最终限制。”

展望未来，他继续说道：“我们的工作是显示可逆性是纠缠理论中一个可以实现的现象的第一证据。然而，已经有人推测甚至希望在我们的工作中不依赖概率转换的更弱假设下，纠缠可以实现可逆性。问题在于，回答这些问题看起来更加困难，需要解决迄今为止所有尝试解决的数学和信息论问题。因此，理解可逆性的精确要求仍然是一个迷人的开放问题。”