دنیای کوانتومی را تصور کنید که در آن تبدیل‌های درهم‌تنیدگی را می‌توان برگشت‌پذیر کرد، مشابه تبدیل کار و گرما در ترمودینامیک. محققان مرکز محاسبات کوانتومی RIKEN و دانشگاه آمستردام در یک مطالعه پیشگامانه، این معمای دیرینه را با استفاده از محاسبات احتمالاتی حل کرده و آنتروپی درهم تنیدگی کوانتومی را آشکار کردند. بنابراین همانطور که قبلاً فرض شده بود، یک قاعده آنتروپی برای پدیده درهم تنیدگی کوانتومی وجود دارد. این کشف می‌تواند علم اطلاعات کوانتومی را متحول کند. با دیپ لوک همراه باشید…
این یافته می‌تواند به درک بهتر درهم تنیدگی کوانتومی که پدیده‌ای کلیدی در توسعه کامپیوترهای کوانتومی آینده است، کمک کند. در حال حاضر، علیرغم دهه‌ها تلاش و تمرکز بر روی این پدیده (به عنوان مثال نگاه کنید به مقاله‌ی مهمی که دیروز در این باره منتشر شد)، اطلاعات کمی در مورد راه‌های بهینه برای استفاده مؤثر از آن وجود دارد.
قانون دوم ترمودینامیک که می‌گوید یک سیستم هرگز نمی‌تواند به سمت حالتی با آنتروپی یا نظم کمتر حرکت کند، یکی از اساسی ترین قوانین طبیعت بوده و در قلب فیزیک جای دارد. آنتروپی همان چیزی است که «پیکان زمان» را ایجاد می‌کند و این واقعیت قابل توجه را به ما می‌گوید که دینامیک سیستم‌های فیزیکی عمومی، حتی سیستم‌های بسیار پیچیده مانند گازها یا سیاه‌چاله‌ها، تحت تاثیر یک تابع واحد، یعنی آنتروپی آن‌هاست.
معلوم شده که اصل آنتروپی برای همه سیستم‌های کلاسیکی کاربرد دارد، اما امروزه ما به طور فزاینده‌ای در حال کاوش جهان کوانتومی و گذر از یک انقلاب کوانتومی بوده و به دنبال آن هستیم تا بفهمیم چگونه می‌توانیم قدرت منابع کوانتومی گران‌قیمت و حساس را استخراج کنیم. به طور خاص، درهم تنیدگی کوانتومی که مزایای قابل توجهی را در ارتباطات، محاسبات و رمزنگاری امکان‌پذیر می‌کند، بسیار مهم است، اما دستکاری کارآمد و حتی درک خواص اساسی آن در ترمودینامیک، به دلیل ساختار بسیار پیچیده، معمولاً بسیار چالش‌برانگیزتر است.
مشکل این است که یک «قانون دوم» برای درهم تنیدگی کوانتومی ما را ملزم می‌کند تا ثابت کنیم تبدیلات درهم تنیدگی را می‌توان برگشت‌پذیر کرد، درست مانند کار و گرما که می‌توانند در ترمودینامیک به یکدیگر تبدیل شوند. مشخص است که اطمینان از برگشت پذیری درهم تنیدگی بسیار دشوارتر از برگشت پذیری تبدیلات ترمودینامیکی است و تمام تلاش‌های قبلی برای ایجاد هر شکلی از یک نظریه برگشت‌پذیر درهم تنیدگی شکست خورده است. حتی گمان می‌رفت که شاید درهم تنیدگی، غیرقابل برگشت باشد.
اکنون پژوهشگران در مقاله‌ای که در مجله Nature Communications منتشر شده، این حدس دیرینه را با استفاده از تبدیل‌های احتمالاتی درهم تنیدگی حل کرده‌اند، که فقط در برخی مواقع موفقیت‌آمیز بودن آن‌ها تضمین می‌شود، اما در عوض، قدرت بیشتری را در تبدیل سیستم‌های کوانتومی ارائه می‌کنند.
محققان تحت چنین فرآیندهایی نشان می‌دهند که واقعاً امکان ایجاد یک چارچوب برگشت‌پذیر برای دستکاری درهم‌تنیدگی وجود دارد، بنابراین محیطی را شناسایی می‌کنند که در آن یک آنتروپی منحصربه‌فرد از درهم‌تنیدگی پدیدار شده و همه تبدیل‌های درهم‌تنیدگی توسط یک کمیت واحد کنترل می‌شوند. روش‌هایی که آن‌ها استفاده می‌کنند می‌توانند به‌طور گسترده‌تر اعمال شوند و خواص برگشت‌پذیری مشابهی را برای منابع کوانتومی عمومی‌تر نشان دهند. نویسندگان مقاله می‌گویند:
یافته‌های ما پیشرفت قابل‌توجهی را در درک ویژگی‌های اصلی درهم‌تنیدگی، آشکار کردن ارتباطات اساسی بین درهم‌تنیدگی و ترمودینامیک، و مهم‌تر از همه، ارائه ساده‌سازی مهمی در درک فرآیندهای تبدیل درهم‌تنیدگی نشان می‌دهند. این امر، نه تنها کاربردهای فوری و مستقیمی در مبانی نظریه کوانتومی دارد، بلکه به درک محدودیت‌های نهایی توانایی ما برای دستکاری مؤثر درهم تنیدگی کمک می‌کند. کار ما اولین مدرکی است که نشان می‌دهد برگشت پذیری در نظریه درهم تنیدگی قابل دستیابی است. با این حال، حتی اشکال قوی‌تری از برگشت پذیری حدس زده شده و این امید وجود دارد که درهم تنیدگی را بتوان حتی در فرضیاتی ضعیف‌تر از کار ما – به‌ویژه، بدون تکیه بر تبدیلات احتمالاتی نیز برگشت‌پذیر کرد. مسئله این است که پاسخ به این سؤالات به طور قابل توجهی دشوارتر به نظر می‌رسد و نیازمند حل مسائل ریاضی و نظری اطلاعات است که تاکنون حل نشده‌اند. بنابراین درک الزامات دقیق برای حفظ برگشت پذیری، یک مسئله باز جذاب باقی می‌ماند.
