Физики показали, что операции над квантовыми системами, в которых не генерируется дополнительная квантовая запутанность вдобавок к уже имеющейся в системе, в общем случае являются необратимыми. Это означает, что, вопреки ранее имевшимся догадкам, для квантовой запутанности нельзя постулировать общий закон по аналогии со вторым законом термодинамики о существовании энтропии и ее неубывании в адиабатических процессах.

Результаты опубликованы в Nature Physics.

Термодинамика, как и всякая физическая теория, строится на основе нескольких эмпирических постулатов. Одним из таких постулатов выступает закон неубывания энтропии (он же второй закон термодинамики) — утверждается, что всегда можно ввести такую универсальную функцию состояния физической системы — энтропию, что во всех реальных адиабатических процессах (то есть без обмена энергией с окружающей средой) эта функция будет либо возрастать, либо не изменяться.

Это довольно сильное утверждение: для любых систем и процессов появляется направление эволюции во времени — от состояния с меньшей энтропией к состоянию с большей энтропией. Именно этим объясняется, например, что если вы проткнете иголкой надутый шарик, то воздух из него начнет выдуваться наружу, а не втягивается внутрь. Равенство же энтропии в двух различных состояниях означает обратимость процесса перехода от одного состояния к другому.

При изучении процессов, связанных с квантовой запутанностью (ситуацией, когда состояния отдельных частиц в группе не могут быть описаны независимо друг от друга, и корректно говорить лишь об общем многочастичном состоянии — подробнее об этом и базовых понятиях квантовой теории можно прочитать в материале Квантовые технологии), выяснилось, что в рамках некоторых допущений можно ввести схожую с энтропией функцию — «энтропию запутанности» квантового состояния.

Для ряда задач удалось доказать, что равенство энтропий запутанности — критерий обратимости операций, переводящих одно запутанное состояние в другое. До недавнего времени считалось, что это может быть указанием на фундаментальную аналогию между квантовой теорией и термодинамикой — теоретики пытались придумать или опровергнуть существование энтропии запутанности и закона ее неубывания в общем случае.

Работа под авторством Людовико Лами (Ludovico Lami) из Ульмского института теоретической физики и Бартоша Регула (Bartosz Regula) из Токийского университета, кажется, ставит точку этом в вопросе и исключает фундаментальную аналогию между устройством квантовой запутанности и вторым законом термодинамики.