פתרון תעלומות קוונטיות: פיזיקאים מאשרים את כלל האנטרופיה להסתבכות

מחקר חדש הקים מסגרת הפיכה להסתבכות קוונטית, מיישר אותה עם עקרונות התרמודינמיקה וסלל את הדרך לשיפור מניפולציה והבנה של משאבים קוונטיים.

Bartosz Regula ממרכז RIKEN למחשוב קוונטי ולודוביקו לאמי מאוניברסיטת אמסטרדם הדגימו באמצעות חישובים הסתברותיים את קיומו של כלל "אנטרופיה" להסתבכות קוונטית. תגלית זו יכולה לשפר את ההבנה שלנו לגבי הסתבכות קוונטית, משאב חיוני המבסס את הפוטנציאל של מחשבים קוונטיים עתידיים. למרות שהסתבכות קוונטית הייתה מוקד מחקר במדעי המידע הקוונטי במשך עשרות שנים, שיטות אופטימליות לניצול יעיל שלה נותרו לא ידועות במידה רבה.

החוק השני של התרמודינמיקה, שאומר שמערכת לעולם לא יכולה לעבור למצב עם "אנטרופיה" נמוכה יותר, או סדר, הוא אחד מחוקי הטבע הבסיסיים ביותר והוא נמצא בלב ליבה של הפיזיקה. זה מה שיוצר את "חץ הזמן", ומספר לנו את העובדה המדהימה שהדינמיקה של מערכות פיזיקליות כלליות, אפילו מורכבות במיוחד כמו גזים או חורים שחורים, מובלעת בפונקציה אחת, ה"אנטרופיה" שלה.

אתגרים בהסתבכות קוונטית

עם זאת, יש סיבוך. כידוע עקרון האנטרופיה חל על כל המערכות הקלאסיות, אך כיום אנו חוקרים יותר ויותר את העולם הקוונטי. אנו עוברים כעת מהפכה קוונטית, וזה הופך להיות חשוב ביותר להבין כיצד אנו יכולים לחלץ ולשנות את המשאבים הקוונטיים היקרים והשבריריים. במיוחד, הסתבכות קוונטית, המאפשרת יתרונות משמעותיים בתקשורת, חישוב והצפנה, היא קריטית, אך בשל המבנה המורכב ביותר שלה, מניפולציה יעילה שלו ואפילו הבנת התכונות הבסיסיות שלו היא בדרך כלל הרבה יותר מאתגרת מאשר במקרה של תרמודינמיקה. .

הקושי טמון בעובדה ש"חוק שני" כזה להסתבכות קוונטית יחייב אותנו להראות שניתן לבצע טרנספורמציות של הסתבכות הָפִיך, בדיוק כמו עבודה וחום ניתן להמיר זה בזה בתרמודינמיקה. ידוע שקשה הרבה יותר להבטיח את הפיכות ההסתבכות מההפיכות של טרנספורמציות תרמודינמיות, וכל הניסיונות הקודמים לבסס כל צורה של תיאוריה הפיכה של הסתבכות נכשלו. אפילו היה חשד שהסתבכות עשויה להיות בלתי הפיכה, מה שהופך את המסע לבלתי אפשרי.

פריצת דרך בהפיכות הסתבכות

בעבודתם החדשה, שפורסמה ב תקשורת טבע, המחברים פותרים השערה ארוכת שנים זו באמצעות טרנספורמציות הסתבכות "הסתברותיות", שרק מובטחות להצליח בחלק מהזמן, אך בתמורה מספקות כוח מוגבר בהמרת מערכות קוונטיות. במסגרת תהליכים כאלה, המחברים מראים כי אכן ניתן להקים מסגרת הפיכה למניפולציה של הסתבכות, ובכך לזהות סביבה שבה מתגלה "אנטרופיה של הסתבכות" ייחודית וכל התמרות ההסתבכות נשלטות על ידי כמות אחת. ניתן ליישם את השיטות בהן השתמשו בצורה רחבה יותר, ולהראות תכונות הפיכות דומות גם עבור משאבים קוונטיים כלליים יותר.

לדברי רגולה, "הממצאים שלנו מסמנים התקדמות משמעותית בהבנת המאפיינים הבסיסיים של ההסתבכות, חושפים את הקשרים הבסיסיים בין ההסתבכות והתרמודינמיקה, ובאופן מכריע, מספקים פישוט משמעותי בהבנת תהליכי המרת ההסתבכות. יש לזה לא רק יישומים מיידיים וישירים ביסודות תורת הקוונטים, אלא זה גם יעזור בהבנת המגבלות האולטימטיביות על היכולת שלנו לתמרן ביעילות הסתבכות בפועל".

במבט אל העתיד, הוא ממשיך, "העבודה שלנו משמשת כעדות הראשונה לכך שהפיכות היא תופעה ברת השגה בתורת ההסתבכות. עם זאת, השערו אפילו צורות חזקות יותר של הפיכות, ויש תקווה שניתן להפוך את ההסתבכות להפיכה גם תחת הנחות חלשות יותר ממה שהנחנו בעבודתנו – במיוחד, מבלי להסתמך על טרנספורמציות הסתברותיות. הבעיה היא שהתשובה לשאלות אלו נראית קשה יותר באופן משמעותי, ודורשת פתרון של בעיות מתמטיות ותיאורטיות מידע שהתחמקו מכל הניסיונות לפתור אותן עד כה. הבנת הדרישות המדויקות להפיכות להחזיק אפוא נותרה בעיה פתוחה מרתקת."