Физики нашли способ обмануть хаос: найден квантовый аналог второго закона термодинамики

Представьте, что вы разбили чашку. Осколки разлетелись по полу, чай пролился — хаос восторжествовал. Собрать эту чашку обратно в идеальное целое практически невозможно. Этот простой пример иллюстрирует один из самых фундаментальных законов нашей Вселенной — второй закон термодинамики, который гласит, что любая система со временем стремится к беспорядку, к росту энтропии. Этот закон казался незыблемым правилом для нашего привычного, макроскопического мира. Но что насчет мира квантового, где правила интуиции перестают работать?

До недавнего времени считалось, что квантовая запутанность — та самая «призрачная связь на расстоянии», как её называл Эйнштейн, — подчиняется своим, ещё более строгим и необратимым законам. Однако недавнее открытие, опубликованное в престижном Physical Review Letters, переворачивает это представление. Международная команда физиков нашла способ сделать управление запутанностью идеально обратимым, сформулировав, по сути, квантовый аналог второго закона термодинамики. И ключ к этому открытию — элегантная и мощная идея «квантового аккумулятора».

«Призрачная связь» и её правила игры

Чтобы понять всю важность этого открытия, нужно вспомнить, что такое квантовая запутанность. Это феномен, при котором две или более частицы становятся неразрывно связанными. Их состояния оказываются скоррелированы независимо от расстояния между ними. Если измерить свойство одной частицы (например, её спин), мы мгновенно узнаем свойство её «близнеца», даже если тот находится на другом конце галактики.

Когда-то эта идея казалась абсурдной, но сегодня запутанность — не просто научный курьёз, а ценнейший ресурс. На ней строятся квантовые компьютеры, системы защищённой связи и телепортация. Проблема в том, что этот ресурс невероятно хрупок. Долгое время считалось, что любые манипуляции с запутанностью необратимы.

Представьте двух операторов, условных Алису и Боба, которые работают с запутанными частицами. Они могут воздействовать только на свою частицу и общаться по обычному телефону (этот сценарий учёные называют LOCC — локальные операции и классическая коммуникация). В таких условиях, если они преобразуют одну форму запутанности в другую, часть её неизбежно теряется, как тепло от остывающего кофе. Вернуть всё в исходное состояние без потерь считалось невозможным. Запутанность «деградировала», и этот процесс был дорогостоящим и однонаправленным.

Когда не хватает запутанности: идея квантового аккумулятора

И вот здесь на сцену выходит революционная идея команды исследователей. Что, если дать Алисе и Бобу дополнительный инструмент? Не просто ещё одну пару запутанных частиц, а нечто, работающее как катализатор или вспомогательное устройство. Они назвали это «аккумулятором запутанности».

Позвольте объяснить на простой аналогии. Представьте, что вам нужно поднять тяжёлый груз, но у вас не хватает сил. Однако у вас есть гидравлический домкрат. Вы прикладываете небольшое усилие к рычагу, а домкрат преобразует его в мощную подъёмную силу. Сам домкрат при этом не теряет своей способности работать.

Квантовый аккумулятор работает похожим образом. Это дополнительная, стабильная запутанная система, которая может «одолжить» или временно «сохранить» запутанность в процессе манипуляций. Когда Алиса и Боб преобразуют состояние своей основной системы, аккумулятор участвует в этом процессе, компенсируя возможные потери. Единственное строгое правило: общий уровень запутанности в самом аккумуляторе не должен уменьшаться. В результате основная система может быть преобразована в новое состояние, а затем — внимание! — возвращена в исходное совершенно без потерь.

Это и есть та самая обратимость, которая казалась недостижимой. Процесс становится идеально эффективным, подобно идеальному циклу Карно в термодинамике. По сути, учёные нашли способ обойти фундаментальное ограничение, введя в систему новый элемент, который служит буфером и гарантом сохранения ценного ресурса.

От частного случая к общему закону

Самое интересное в этой работе — её масштаб. Это не просто умный трюк для решения одной конкретной задачи. Это открытие предлагает универсальный каркас для понимания того, как управлять любыми квантовыми ресурсами.

Исследователи предполагают, что концепцию можно обобщить. Вместо «аккумулятора запутанности» можно представить «ресурсный аккумулятор» для любого другого квантового свойства, будь то когерентность (способность системы находиться в нескольких состояниях одновременно) или квантовая свободная энергия. Это означает, что физики получают единый, элегантный инструмент для формулирования целого семейства «вторых законов» для разных областей квантовой физики.

Это открытие превращает кажущийся хаос квантовых взаимодействий в набор предсказуемых и управляемых процессов. Для практического применения это огромный шаг вперёд. Создание более стабильных и эффективных квантовых компьютеров, построение сложных квантовых сетей и разработка сверхточных измерительных приборов — всё это напрямую зависит от нашей способности управлять квантовыми ресурсами без потерь.

В конечном счёте, эта работа наводит мосты между двумя мирами — нашим интуитивно понятным макромиром, где правит энтропия, и загадочным квантовым микромиром. Оказывается, даже в самой причудливой области физики действуют свои законы порядка и симметрии. И теперь у нас есть ключ, а точнее — аккумулятор, чтобы эти законы использовать.