突破性技术工具组让物理学家实现纠缠逆转——量子定律或被改写

纠缠可以说是量子力学的核心特征。如果两个微观粒子处于纠缠态，那么当某人测量其中一个粒子的量子属性，然后对其纠缠伙伴重复测量时，总会发现这对粒子存在关联，即使它们相隔遥远距离。因此，获知一个粒子的状态便自动提供了关于另一个粒子的信息。大约90年前，纠缠被提出，作为证明若将量子理论视为对自然的完备描述则显得荒谬的证据。然而如今它不再被视为荒谬。在详尽证明了纠缠在现实世界中的真实性后，它现已成为量子信息理论的关键资源，实现了量子隐形传态和量子密码学，并在量子计算、通信和精密测量中提供显著优势。

尽管纠缠仍与我们日常的生活体验相悖，但研究人员发现它与一种更为熟悉的事物存在惊人的相似性：热力学。事实上，量子纠缠理论与热力学之间已显现出许多相似之处。例如，“纠缠熵”是理想化无噪声量子系统的一个特征，它模拟了热力学熵的作用。

然而，一个与热力学第二定律等效的定律——该定律指出过程趋向于无序性（即上述熵）的增加，且完美的可逆性是一种可实现但罕见且高效的理想状态——却一直难以获得。此处的可逆性并非指时间对称性，而是指外部操作者能够将系统操控至不同状态，然后无损地将其恢复至初始状态的能力。“寻找一个类似于热力学第二定律的量子第二定律，一直是量子信息科学中的一个开放性问题，”该研究的合著者图尔贾·瓦伦·孔德拉表示，“解决这个问题是我们的主要动机。”

为解决此问题开展的大量工作聚焦于一个场景：两个相距遥远的参与方（通常称为Alice和Bob）希望交换量子信息，但仅限于对其量子系统进行局域操作，并通过电话或互联网等进行经典通信。这种对局域操作和经典通信（LOCC）的限制简化了情况，这意味着无论Alice和Bob做什么，都无法影响其量子系统间纠缠固有的非局域特性。

“已知在此场景的LOCC操作下，纠缠是不可逆的，”该研究的主要作者亚历山大·斯特雷尔佐夫解释道。“因此问题是，我们能否以某种有意义的方式超越LOCC，并恢复可逆性？” 团队的答案是“可以”，前提是Alice和Bob共享一个额外的纠缠系统：纠缠电池。

正如普通电池在热力学背景下储存能量，可用于注入或储存功，纠缠电池则注入和储存纠缠。该电池可用于状态转换过程，且电池自身的状态可被改变以执行操作。只有一个规则：无论Alice和Bob做什么，都不得降低电池内的纠缠水平。

正如普通电池使原本无法完成的任务得以实现，纠缠电池也是如此。通过用他们假设的纠缠电池辅助标准的LOCC操作，团队证明了任何混合态纠缠转换都能实现完美的可逆性。

这一成果是对关于纠缠操控是否普遍可逆的争论的重大贡献。但这项工作更重要的成果是，研究人员证明了他们所开发的方法适用于混合态纠缠转换之外的场景，允许他们利用纠缠电池验证各种场景下的可逆性。证明所有量子态的纠缠操作具有可逆性，预计将催生一系列纠缠操控的第二定律。

纠缠电池甚至可能在纠缠理论之外找到用途。例如，相同原理适用于涉及两个以上纠缠粒子的系统，为理解和操控复杂量子网络铺平了道路，并可能助力开发未来高效的量子技术。

此外，将纠缠电池的概念推广至资源电池——一个参与转换过程但不会减少目标资源的额外量子系统——可以在基于最小假设的前提下，系统性地证明量子物理中的普适可逆性。“我们可以拥有一个旨在保持相干性或自由能的电池，然后在此框架中制定可逆性方案，在这个方案中，我们可逆地操控的是系统的特定资源，而非纠缠，”斯特雷尔佐夫说。“尽管其中许多其他可逆性原理已通过其他方法得到证实，但我们的技术提供了一个基于完善物理原理的统一证明框架。”