Questa scoperta potrebbe aiutare a comprendere meglio l’entanglement quantistico, che è una risorsa chiave alla base di gran parte della potenza dei futuri computer quantistici. Attualmente si sa poco sui modi ottimali per farne un uso efficace, nonostante sia al centro della ricerca nella scienza dell'informazione quantistica da decenni.

La seconda legge della termodinamica, che afferma che un sistema non può mai spostarsi verso uno stato con entropia, o ordine, inferiore, è una delle leggi fondamentali della natura e si trova al centro stesso della fisica. È ciò che crea la "freccia del tempo" e ci racconta il fatto notevole che la dinamica dei sistemi fisici generali, anche quelli estremamente complessi come i gas o i buchi neri, sono incapsulati da un'unica funzione, la sua entropia.

C'è però una complicazione. È noto che il principio dell'entropia si applica a tutti i sistemi classici, ma oggi esploriamo sempre più il mondo quantistico.

Stiamo attraversando una rivoluzione quantistica e diventa di fondamentale importanza capire come possiamo estrarre e trasformare le costose e fragili risorse quantistiche. In particolare, l’entanglement quantistico, che consente vantaggi significativi nella comunicazione, nel calcolo e nella crittografia, è cruciale, ma a causa della sua struttura estremamente complessa, manipolarlo in modo efficiente e persino comprenderne le proprietà di base è in genere molto più impegnativo che nel caso della termodinamica. .

La difficoltà sta nel fatto che una simile "seconda legge" per l'entanglement quantistico richiederebbe di dimostrare che le trasformazioni dell'entanglement possono essere rese reversibili, proprio come il lavoro e il calore possono essere interconvertiti in termodinamica.

È noto che la reversibilità dell’entanglement è molto più difficile da garantire rispetto alla reversibilità delle trasformazioni termodinamiche, e tutti i precedenti tentativi di stabilire una qualsiasi forma di teoria reversibile dell’entanglement sono falliti. Si sospettava addirittura che il coinvolgimento potesse effettivamente essere irreversibile, rendendo la ricerca impossibile.

Nel loro nuovo lavoro, pubblicato su Nature Communications , gli autori risolvono questa congettura di vecchia data utilizzando trasformazioni probabilistiche di entanglement, che sono garantite solo per avere successo in alcune volte, ma che, in cambio, forniscono una maggiore potenza nella conversione dei sistemi quantistici.

Nell'ambito di tali processi, gli autori mostrano che è effettivamente possibile stabilire una struttura reversibile per la manipolazione dell'entanglement, identificando così un ambiente in cui emerge un'entropia unica dell'entanglement e tutte le trasformazioni dell'entanglement sono governate da un'unica quantità. I metodi da loro utilizzati potrebbero essere applicati in modo più ampio, mostrando proprietà di reversibilità simili anche per risorse quantistiche più generali.

Secondo Regula, "Le nostre scoperte segnano progressi significativi nella comprensione delle proprietà di base dell'entanglement, rivelando connessioni fondamentali tra l'entanglement e la termodinamica e, soprattutto, fornendo un'importante semplificazione nella comprensione dei processi di conversione dell'entanglement.

"Ciò non solo ha applicazioni immediate e dirette nei fondamenti della teoria quantistica, ma aiuterà anche a comprendere i limiti ultimi sulla nostra capacità di manipolare in modo efficiente l'entanglement nella pratica."

Guardando al futuro, continua:"Il nostro lavoro costituisce la primissima prova che la reversibilità è un fenomeno realizzabile nella teoria dell'entanglement. Tuttavia, sono state ipotizzate forme di reversibilità anche più forti, e c'è speranza che l'entanglement possa essere reso reversibile anche in condizioni ipotesi più deboli di quelle che abbiamo formulato nel nostro lavoro, in particolare senza dover fare affidamento su trasformazioni probabilistiche.

"Il problema è che rispondere a queste domande appare significativamente più difficile, poiché richiede la soluzione di problemi matematici e di teoria dell'informazione che finora sono sfuggiti a tutti i tentativi di risolverli. Comprendere i requisiti precisi affinché la reversibilità sia valida rimane quindi un affascinante problema aperto."