Физики открыли способ обратить квантовую запутанность вспять с помощью «батареи запутанности»

Исследователи доказали, что квантовую запутанность можно сделать полностью обратимой с помощью «батареи запутанности», установив аналог второго закона термодинамики для квантовой информации. Это открывает путь к созданию более эффективных квантовых устройств. Фото: Shutterstock

Спустя более 200 лет после того, как французский инженер и физик Сади Карно сформулировал второй закон термодинамики, международная команда исследователей представила аналогичный закон для квантового мира. Этот «второй закон манипуляции запутанностью» доказывает, что, подобно теплу или энергии в идеализированной термодинамической системе, квантовую запутанность можно обратимо изменять — утверждение, которое до сих пор вызывало споры. Исследование, опубликованное 2 июля 2025 года в журнале Physical Review Letters, углубляет понимание фундаментальных свойств запутанности и даёт ключевое представление о том, как эффективно управлять этим явлением на практике.

Квантовая запутанность — одно из центральных понятий квантовой механики. Если две микрочастицы запутаны, то измерение квантового состояния одной из них автоматически даёт информацию о состоянии другой, даже если частицы разделены огромными расстояниями. Изначально запутанность рассматривалась как парадокс, ставящий под сомнение полноту квантовой теории, но сегодня она стала основой для квантовых технологий — от телепортации до криптографии и вычислений.

Несмотря на кажущуюся противоречивость, учёные обнаружили удивительные параллели между квантовой запутанностью и термодинамикой. Например, «энтропия запутанности» в идеальных квантовых системах ведёт себя аналогично термодинамической энтропии. Однако аналог второго закона термодинамики — утверждающего, что процессы стремятся к увеличению беспорядка, а полная обратимость возможна лишь в идеальных условиях — долгое время оставался недостижимым для квантовых систем.

«Поиск аналога второго закона термодинамики для квантовой информации был открытой проблемой в науке», — говорит соавтор исследования Тулджа Варун Кондра. «Именно это стало нашей главной мотивацией».

Команда сосредоточилась на сценарии, где две удалённые стороны (условно «Алиса» и «Боб») хотят обмениваться квантовой информацией, но могут действовать только локально и общаться классически (например, по телефону или интернету). В таких условиях, известных как LOCC (локальные операции и классическая коммуникация), запутанность считается необратимой.

«Вопрос в том, можем ли мы выйти за рамки LOCC и восстановить обратимость?» — объясняет ведущий автор исследования Александр Стрельцов. «Ответ — да, но только если Алиса и Боб используют дополнительную запутанную систему: «батарею запутанности».

Подобно обычной батарее, запасающей энергию, «батарея запутанности» накапливает и передаёт квантовую запутанность. Её можно использовать для преобразования состояний, но с одним условием: уровень запутанности в самой батарее не должен уменьшаться. С помощью такого устройства команда доказала, что любые преобразования запутанных состояний можно сделать полностью обратимыми.

Это открытие не только разрешает давний спор о обратимости квантовых процессов, но и предлагает универсальный инструмент для манипуляции запутанностью в сложных системах, включая многочастичные квантовые сети. В будущем это может привести к созданию более эффективных квантовых технологий.

Более того, концепцию «батареи запутанности» можно расширить до «ресурсной батареи» — системы, сохраняющей любой квантовый ресурс (например, когерентность или свободную энергию) в процессе преобразований. Это открывает путь к единой теории обратимости в квантовой физике.

«Наш подход предлагает унифицированную систему доказательств, основанную на фундаментальных физических принципах», — заключает Стрельцов.

Источники: