首次！借助独特“电池”，量子纠缠实现可逆操作

事实证明，纠缠并非一条单行道。一种新框架使科学家能够完美地逆转纠缠转换。

一个多世纪以来，热力学定律帮助我们理解能量如何流动、引擎如何工作，以及时间为何似乎只朝一个方向流逝。如今，研究人员在奇异的量子物理世界中也取得了一项具有类似深远意义的发现。

科学家首次证明，量子粒子间这种神秘的联系 —— 纠缠，可以在完美的热力学循环中被可逆地操控，就像热量或能量一样。

研究人员使用一个名为“纠缠电池”的新颖概念来支持他们的发现。这种电池允许纠缠流入和流出量子系统而不会损失，就像普通电池存储和供应能量一样。

这一成就解决了量子信息科学中一个长期存在的难题，并可能对未来量子计算机、安全通信系统和强大量子网络的设计产生重大影响。

纠缠可逆性曾遥不可及

纠缠是量子物理学中最令人费解也最强大的特性之一。它将粒子深刻地联系起来，以至于无论相隔多远，一个粒子的状态都能瞬间告诉你另一个粒子的某些信息。

研究作者指出：“它碰巧也是量子信息论的关键资源，使得量子隐形传态和量子密码学成为可能，并在量子计算、通信和精密测量中提供显著优势。”然而，如何有效利用和重复利用纠缠一直是个巨大挑战。

量子科学中长期存在的一个问题是：一个纠缠态能否被转换成另一个纠缠态，然后再无损地转换回来？这就像理想的热机可以无损耗地来回转换能量一样。

几十年来，答案似乎是否定的。大多数研究考察的场景是，两方（通常称为Alice和Bob）只被允许操作各自的局域系统并相互发送经典信息。

在这些被称为“局域操作和经典通信”（LOCC）的规则下，已知转换通常会减少纠缠量。这意味着像经典热力学中那样的完美可逆性（这是第二定律的核心概念），在量子世界中似乎是不可能的。

然而，当前研究的作者们运用一个巧妙的方法，将不可能变成了可能。

“纠缠电池”的神奇之处

研究人员提出使用一个额外的量子系统，称为“纠缠电池”。该设备充当纠缠的存储器。在转换过程中，它可以提供或吸收纠缠，只要电池中存储的总量不减少。

通过仔细计算流入和流出电池的纠缠量，研究人员证明，即使是最复杂（或混合）的纠缠态，也能无损地转换成其他状态并恢复原状。

他们的结果适用于渐近极限，即当使用大量相同的纠缠态时。在这个理想设定下，状态间的转换速率可以简单地计算为每个状态所含纠缠量的比值。

该框架还允许使用不同的纠缠度量方式，每种方式产生其自身的转换规则。这反映了热力学中能量和熵的行为。通过设计能够保存其他特性（如相干性或自由能）的电池，这一思想可以扩展到其他量子资源上。

该研究的作者之一、波兰基础技术研究所的研究员亚历山大·斯特列佐夫（Alexander Streltsov）说：“我们可以有一个旨在保存相干性或自由能的电池，然后我们就可以在这个设定下构建一个可逆框架，在这个框架中，我们可逆地操纵的是我们系统中的那个特定资源，而不是纠缠。”

利用这个框架，研究人员在理论上证明，当纠缠电池与标准的LOCC操作协同工作时，它可以使任何复杂的纠缠转换变得可逆。

研究作者补充道：“证明所有量子态间的纠缠操作都是可逆的，预计将催生一个关于纠缠操作的‘第二定律家族’。”

下一个挑战：开发实物版本

这项“第二定律”为量子信息科学带来了新的精度和控制水平。它为设计更有效利用纠缠的系统提供了路线图。

然而，该工作目前仍是理论性的。纠缠电池是一个概念，尚未成为实物工具。真实的量子系统面临噪声、缺陷和尺寸限制，这使得在现实中实现完美的可逆性非常困难。

研究作者现在计划探索他们的理论在现实条件下如何成立，以及能否在实验室中制造出更小或更简化的电池版本。

该研究已发表在《物理评论快报》期刊上。

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