Druga zasada termodynamiki ma kwantowy odpowiednik. Fizycy nie powiedzieli ostatniego słowa

I to nie byle jaki, bo kwantowy, a to za sprawą autorów publikacji dostępnej w Physical Review Letters. Naukowcy odpowiedzialni za ten artykuł, będący członkami międzynarodowego zespołu, opisali odpowiednik drugiej zasady termodynamiki opracowany z myślą o świecie kwantowym.

Czytaj też: Nowy materiał podważa prawo Kirchhoffa. Niebywały scenariusz ze światłem w roli głównej

Naukowcy skupiali się na kwestiach związanych ze zjawiskiem splątania, a ich działania doprowadziły do zdobycia istotnych informacji na temat kontrolowania splątania. Ten fenomen fascynował już samego Einsteina i nie powinno to dziwić, wszak mówimy o sytuacji, w której dwie powiązane ze sobą cząstki oddziałują na siebie bez względu na dzielącą je odległość. 

W praktyce oznacza to, że znając stan jednej cząstki z automatu uzyskujemy też informacje na temat drugiej będącej częścią tej niezwykłej pary. Taka koncepcja prowadzi do równie szalonych pomysłów, takich jak teleportacja kwantowa czy kryptografia kwantowa. Dzięki nim możemy mówić o szeregu praktycznych zastosowań, z których wkrótce moglibyśmy korzystać na co dzień. 

Druga zasada termodynamiki w kwantowym wydaniu może zapewnić szereg praktycznych zastosowań

Próbując jak najlepiej zrozumieć to zjawisko, naukowcy byli w stanie powiązać je z zasadami termodynamiki. Ku ich zdziwieniu, podobieństw było nawet więcej, niż ktokolwiek by się spodziewać. Za przykład podają entropię splątania, którą można uznać za kwantowy odpowiednik entropii termodynamicznej. W przypadku drugiej zasady termodynamiki wyzwanie okazało się nieco większe, ponieważ odwracalność nie odnosi się do symetrii czasowej, lecz zdolności zewnętrznego agenta do manipulowania układem w innym stanie, by później manipulować nim z powrotem do stanu początkowego bez najmniejszych strat. 

Jeden z wcześniej rozpatrywanych, hipotetycznych scenariuszy zakładał udział dwóch postaci, oznaczonych jako A i B. Osoby te próbują wymieniać się informacjami kwantowymi, ale muszą ograniczać się do działania lokalnego w swoich układach kwantowych i komunikowania się w klasyczny sposób. W praktyce oznacza to, że bez względu na to, co robią uczestnicy eksperymentu, to i tak nie uda im się wpłynąć na wewnętrznie nielokalne właściwości splątania między swoimi układami kwantowymi.

Czytaj też: To kwantowa rewolucja. Komputery kwantowe obserwują łamanie symetrii w ekstremalnych warunkach

W przypadku termodynamiki możemy podać za przykład baterię, którą można wykorzystać do wprowadzania bądź przechowywania pracy. Kwantowy odpowiednik tej baterii zamiast energii wykorzystuje splątanie. Akumulator można wykorzystać na potrzeby transformacji stanu, a jej stan może podlegać zmianom w celu wykonywania operacji. A i B nie mogą jednak załamać podstawowej zasady, która zakłada, że ich działania nie mogą doprowadzić do spadku poziomu splątania w baterii.

W ostatecznym rozrachunku chodzi o rozważania nad tym, czy manipulacja splątaniem jest odwracalna. Za kluczowy wniosek należy natomiast uznać to, że bateria ze splątaniem może pomóc w weryfikacji odwracalności w różnych scenariuszach. Poza samą teorią splątania, taka koncepcja mogłaby się sprawdzić również w odniesieniu do układów obejmujących więcej niż dwie splątane cząstki. To z kolei oznacza potencjalne praktyczne korzyści dla technologii kwantowych przyszłości.