突破性电池技术让物理学家逆转量子纠缠态——重写量子定律

量子纠缠堪称量子力学的核心特征。当两个微观粒子处于纠缠态时，若观测者对其中一个粒子进行量子测量，再对其纠缠伙伴进行相同测量，总能发现两者存在关联性——即使相隔遥远距离亦不例外。这意味着获知一个粒子的状态就能自动掌握另一个粒子的信息。约90年前，纠缠现象曾被提出作为"量子理论若作为自然的完备描述将导致荒谬结论"的证明。但如今它已不再被视为悖论，经过大量实验验证其真实性后，纠缠已成为量子信息理论的关键资源，支撑着量子隐形传态与量子密码学的发展，并在量子计算、通信及精密测量领域展现出显著优势。

尽管纠缠现象仍与日常经验相悖，研究者却发现其与热力学存在惊人的相似性。事实上，量子纠缠理论与热力学之间已浮现诸多对应关系，例如表征理想无噪声量子系统的"纠缠熵"，就与热力学熵发挥着相似作用。

然而，与热力学第二定律（指出过程总是趋向无序度增加即熵增，且完全可逆性虽罕见但可作为高效理想态存在）相对应的量子版本始终难以确立。此处的可逆性并非指时间对称性，而是指外部操控者能使系统状态改变后无损恢复原状的能力。"建立类似热力学第二定律的量子信息科学第二定律一直是悬而未决的难题，"论文合著者图尔贾·瓦伦·康德拉表示，"解决这个问题是我们的核心动机。"

针对该问题的研究多聚焦于以下场景：两个远程参与者（常称为Alice和Bob）希望交换量子信息，但仅限于对各自量子系统进行局域操作，并通过电话或互联网进行经典通信。这种局域操作与经典通信（LOCC）的限制简化了情境，意味着无论双方如何操作，都无法改变其量子系统间纠缠态固有的非局域特性。

"已知在此场景的LOCC操作下，纠缠具有不可逆性，"研究第一作者亚历山大·斯特雷佐夫解释道，"因此关键在于，我们能否以有意义的方式突破LOCC限制实现可逆操作？"团队给出的答案是肯定的——只要Alice和Bob共享一个额外纠缠系统：纠缠电池。

正如普通电池储存能量以实现热力学范畴的功的输入与存储，纠缠电池能注入并存储纠缠资源。该电池可用于态转换过程，其自身状态也可通过操作改变，唯一准则是：任何操作都不得降低电池内的纠缠水平。

就像常规电池能实现原本不可能的任务，纠缠电池同样如此。团队通过假设的纠缠电池辅助标准LOCC操作，证明任何混合态纠缠转换都能实现完美可逆。

该成果为"纠缠操控是否普遍可逆"的争论作出重要贡献。但更深远的意义在于，研究者开发的方法可拓展至混合态纠缠转换之外，利用纠缠电池验证多种情境下的可逆性。若能证明所有量子态的纠缠操作皆可逆，将衍生出纠缠操控的第二定律体系。

纠缠电池的应用甚至可能超越纠缠理论。例如，其原理可推广至多粒子纠缠系统，为理解与操控复杂量子网络、开发高效量子技术铺路。此外，将纠缠电池概念泛化为资源电池（参与转换过程但不消耗目标资源的辅助量子系统），有望基于最小假设集系统论证量子物理中的普适可逆性。

"我们可以设计保持相干性或自由能的电池，进而构建可逆框架，在其中可逆地操控系统的特定资源而非纠缠，"斯特雷佐夫指出，"虽然其中许多可逆原理已通过其他方法证实，但我们的技术提供了基于坚实物理原理的统一证明框架。"