突破性电池技术让物理学家得以逆转量子纠缠——进而改写量子定律

纠缠可以说是量子力学的核心特征。如果两个微观粒子被称为纠缠，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该测量时，他们总会发现这对粒子是相关的，即使两个粒子相隔极远距离。因此，知道一个粒子的状态会自动提供关于另一个粒子的信息。大约90年前，纠缠被提出时，是用来证明若将量子理论视为对自然的完整描述是何等荒谬。然而如今它已不被视为荒谬。在详尽证明了纠缠在现实世界中的真实性之后，它已成为量子信息论的关键资源，使得量子隐形传态和量子密码学成为可能，并在量子计算、通信和精密测量方面提供显著优势。

尽管纠缠在我们对世界的日常体验中仍显得有违直觉，研究人员却发现它与某种更为熟悉的事物存在惊人相似性：热力学。事实上，量子纠缠理论与热力学之间已显现出诸多相似之处。例如，“纠缠熵”是理想化、无噪声量子系统的一个特征，它模仿了热力学熵的作用。

然而，与热力学第二定律对应的定律——该定律规定过程趋向于无序性增加（前述的熵），而完美的可逆性是一种可实现但罕见且高效的理念——却始终难以确立。此处的可逆性并非指时间对称性，而是指外部操控者能够将该系统操控至不同状态，然后将其无损地操控回初始状态的能力。“寻找一个类似于热力学第二定律的（量子信息）第二定律，一直是量子信息科学中悬而未决的问题，”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首要动机。”

针对该问题的许多研究聚焦于以下场景：两个相隔遥远的参与者（通常称为Alice和Bob）希望交换量子信息，但仅限于对其各自的量子系统进行局域操作，并通过例如电话或互联网进行经典通信。这种对局域操作和经典通信（LOCC）的限制简化了情况，意味着无论Alice和Bob做什么，都无法影响其量子系统之间纠缠的内在非局域特性。

“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·斯特列佐夫解释道。“所以问题是，我们能否以某种有意义的方式超越LOCC限制，从而恢复可逆性？” 该团队的回答是“可以”，只要Alice和Bob共享一个额外的纠缠系统：一个纠缠电池。

正如普通电池在热力学背景下储存可用于注入或存储功的能量一样，纠缠电池注入并存储纠缠。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。只有一条规则：无论Alice和Bob做什么，他们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成为可能一样，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，该团队证明任何混合态纠缠变换都能变得完全可逆。

这一成果对围绕“纠缠操控是否普遍可逆”的争论作出了重要贡献。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可超越混合态纠缠变换的应用范畴，使他们能利用纠缠电池在多种场景下验证可逆性。证明所有量子态的纠缠操作都是可逆的，有望催生一套适用于纠缠操控的第二定律体系。

纠缠电池甚至可能在纠缠理论之外找到用途。例如，相同的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，并可能推动未来高效量子技术的发展。

此外，将纠缠电池的概念推广为资源电池——一个参与转换过程且不减少特定资源的额外量子系统——将能基于最少的假设，系统地证明量子物理范畴内的可逆性。“我们可以拥有一个旨在保持相干性或自由能的电池，然后在此框架下构建可逆方案，其中我们可逆地操控的是系统的特定资源而非纠缠，”斯特列佐夫说。“尽管其中许多其他可逆性原理已通过其他方法得到证实，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。”