科学家证明不存在"第二纠缠定律"

2023-02-16 19:31:50 来源：cnBeta

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热力学第二定律被广泛认为是最普遍的真实的物理定律之一。它规定，任何孤立系统的熵，即物理无序的量度，永远不会随时间而减少。它为日常发生的事情添加了一个"时间之箭"，确定哪些过程是可逆的，哪些是不可逆的。它解释了为什么热炉子上的冰块总是会融化，为什么压缩气体总是会从其容器中逸出，并且在打开阀门通向大气时不会返回。

只有熵和能量相等的状态才能从一个可逆地转换到另一个。这种可逆性条件导致了热力学过程的发现，如（理想化的）卡诺循环，它为人们如何有效地将热量转化为功，或通过不同温度和压力的封闭系统循环提出了一个上限。我们对这一过程的理解支撑了西方工业革命期间的快速经济发展。

热力学第二定律的魅力在于它适用于任何宏观系统，而不考虑微观细节。在量子系统中，这些细节之一可能是纠缠：一种量子连接，使系统中分离的组件共享属性。耐人寻味的是，量子纠缠与热力学有许多深刻的相似之处，尽管量子系统大多在微观系统中被研究。科学家们发现了一个"纠缠熵"的概念，它精确地模仿了热力学熵的作用，至少对于与周围环境完全隔离的理想化量子系统是如此。

"量子纠缠是一种关键资源，它是未来量子计算机的大部分力量的基础。"量子信息研究员卢多维科-拉米说："为了有效利用它，我们需要学习如何操纵它。一个基本的问题是，纠缠是否总是可以被可逆地操纵，直接类似于卡诺循环。至关重要的是，这种可逆性至少在理论上需要成立，甚至对于没有与环境完全隔离的嘈杂（混合）量子系统也是如此。"

有人猜想可以建立一个"纠缠第二定律"，它体现在一个单一的函数中，该函数将概括纠缠熵并管理所有纠缠操作协议。这个猜想在量子信息论的一个著名的开放问题清单中得到了体现。

并没有纠缠第二定律

拉米（曾在乌尔姆大学工作，目前在QuSoft和阿姆斯特丹大学工作）和巴托斯-雷古拉（东京大学）进行的研究解决了这个长期存在的开放性问题，证明操纵纠缠从根本上是不可逆的，从而使建立纠缠第二定律的任何希望破灭。这个新的结果依赖于一个特定量子态的构建，而这个量子态使用纯纠缠来创建是非常"昂贵"的。创造这种状态总是会导致这种纠缠的一些损失，因为投入的纠缠不能完全恢复。因此，从本质上讲，将这种状态转化为另一种状态并再次转化是不可能的。这种状态的存在以前是未知的。

因为这里使用的方法并不预设使用什么确切的转换协议，它排除了所有可能情况下的纠缠的可逆性。它适用于所有协议，假设它们本身不产生新的纠缠。拉米解释说。"使用纠缠操作就像经营一家酒厂，在酒厂中，来自其他地方的酒精被秘密地添加到饮料中。"

拉米："我们可以得出结论，没有一个单一的数量，如纠缠熵可以告诉我们关于纠缠物理系统的允许转变的一切。因此，纠缠理论和热力学是由根本不同的、不相容的几套法则所支配的。"

这可能意味着描述量子纠缠并不像科学家希望的那样简单。然而，与经典的热力学定律相比，纠缠理论的巨大复杂性非但没有成为一个缺点，反而可能使我们能够利用纠缠来实现一些本来完全无法想象的创举。"拉米总结说："就目前而言，我们可以肯定的是，纠缠隐藏着一个更丰富、更复杂的结构，而这是我们曾经给予它的评价。"

关键词： 2019未来科学大奖