Представете си, че сте счупили чаша за кафе. Парчетата летят

Представете си, че сте счупили чаша за кафе. Парчетата летят по пода, кафето се разлива, царува безпорядък. Почти невероятно е да сглобите чашата още веднъж в идеалното цяло. Този елементарен образец илюстрира един от най-фундаменталните закони на нашата галактика – втория закон на термодинамиката, който гласи, че всяка система с течение на времето се стреми към хаос, към увеличение на ентропията. Този закон наподобява като непроменяемо предписание за познатия ни макроскопичен свят. Но какво да кажем за квантовия свят, където разпоредбите на интуицията към този момент не работят?

До наскоро се смяташе, че квантовото усложнение – тази „ призрачна връзка на разстояние “, както я назовава Айнщайн – се подчинява на свои лични, още по-строги и необратими закони. Но едно скорошно изобретение, оповестено в влиятелното издание Physical Review Letters, прекатурва това разбиране. Международен екип от физици е намерил метод да направи контрола на заплитането изцяло обратим, като на процедура формулира квантов аналог на втория закон на термодинамиката. Ключът към това изобретение е елегантната и мощна концепция за „ квантов батерия “.

„ Призрачната връзка “ и нейните правила на игра

За да разберем смисъла на това изобретение, би трябвало да си напомним какво съставлява квантовото усложнение. Това е събитие, при което две или повече частици стават неразривно свързани. Техните положения са корелирани, без значение от дистанцията сред тях. Ако измерим някакво свойство на едната парченце (например нейния спин), незабавно узнаваме и свойството на нейния „ близнак “, даже той да се намира на другия завършек на галактиката.

Преди време тази концепция изглеждаше неуместна, само че през днешния ден заплитането е не просто теоретичен куриоз, а скъп запас. Квантовите компютри, системите за сигурна връзка и телепортацията се основават на него. Проблемът е, че този запас е извънредно нежен. Дълго време се смяташе, че всяка операция на заплитането е необратима.

Представете си двама оператори, условните Алиса и Боб, които работят със заплетени частици. Те могат да влияят единствено на своите частици и да споделят по естествен телефон (този сюжет учените назовават LOCC – местни интервенции и класическа комуникация). При такива условия, в случай че те преобразуват една форма на усложнение в друга, част от него неизбежно се губи, сходно на топлината от охлаждащо се кафе. Връщането на всичко в първичното му положение без загуби се смяташе за невероятно. Заплитането „ се разграждаше “, а процесът беше скъпоструващ и еднопосочен.

Когато заплитането не е задоволително: концепцията за квантовата батерия

И тук на сцената се появява революционната концепция на екипа от откриватели. Какво ще стане, в случай че дадете на Алиса и Боб спомагателен инструмент? Не просто още една двойка заплетени частици, а нещо, което работи като катализатор или помощно устройство. Те го назовават „ батерия на заплитането “.

Нека да го разбираем с една елементарна прилика. Представете си, че би трябвало да вдигнете тежък товар, само че нямате задоволително сили. Разполагате обаче с хидравличен повдигач. Прилагате дребна мощ към лоста и хидравличният крик я трансформира в мощна подемна мощ. Самият крик не губи способността си да работи.

Квантовата батерия работи по сходен метод. Тя е в допълнение, устойчиво усложнение, което може да „ заема “ или краткотрайно да „ избавя “ заплитането по време на процеса на манипулиране. Когато Алиса и Боб трансформират положението на главната си система, акумулаторът взе участие в процеса, като компенсира възможните загуби. Единственото строго предписание е, че общото равнище на усложнение в самия батерия не би трябвало да понижава. В резултат на това главната система може да се трансформира в ново положение и по-късно – внимание! – да се върне в първичното положение без никакви загуби.

Именно това е обратимостта, която изглеждаше непостижима. Процесът се трансформира в напълно ефикасен, сходно на идеалния цикъл на Карно в термодинамиката. Всъщност учените са намерили метод да заобиколят фундаменталното ограничаване, като вкарат нов детайл в системата, който служи като буфер и поръчител за запазването на скъпия запас.

Трансформации на положението с батерия на заплитането. Трансформацията от ρ в σ е допустима, в случай че ρ ⊗ τ може да се трансформира в σ ⊗ ˜ τ посредством LOCC и количеството усложнение в акумулатора не е намаляло (лявата част на фигурата). Не са разрешени трансформации, които понижават заплитането в акумулатора

От частния случай към общия закон

Най-интересното в този труд е неговият мащаб. Той не е просто остроумен трик за решение на един съответен проблем. Това изобретение предлага универсална рамка за схващане по какъв начин да се ръководи всеки квантов запас.

Изследователите допускат, че концепцията може да бъде систематизирана. Вместо „ батерия на заплитането “ може да си представим „ батерия на ресурсите “ за всяко друго квантово свойство, било то кохерентност (способността на една система да се намира в няколко положения едновременно) или квантовата свободна сила. Това значи, че физиците получават обединен, грациозен инструмент за формулиране нацяло семейство „ втори закони “ за разнообразни области на квантовата физика.

Това изобретение трансформира привидния безпорядък на квантовите взаимоотношения в набор от предсказуеми и контролируеми процеси. За практическите приложения това е голяма крачка напред. Създаването на по-стабилни и ефикасни квантови компютри, построяването на комплицирани квантови мрежи и създаването на свръхпрецизни измервателни устройства – всичко това директно зависи от способността ни да направляваме квантовите запаси без загуби.

В последна сметка тази научна работа запълва пропастта сред два свята – нашия подсъзнателен макрокосмос, в който господства ентропията, и мистериозния квантов микрокосмос. Оказва се, че даже най-странната област на физиката има свои лични закони на ред и симетричност. И в този момент разполагаме с ключ, или по-скоро – с батерия, с цел да използваме тези закони.