突破性装置让物理学家逆转纠缠——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，然后在其纠缠伙伴上重复该测量时，他们将始终发现这对粒子是关联的，即使两个粒子相隔遥远的距离。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，作为量子理论若被视为对自然的完整描述则显荒谬的证明。然而，它如今已不再被视为荒谬。在详尽证明了纠缠在现实世界中的真实性之后，它现在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了显著优势。

尽管纠缠仍与我们日常对世界的体验相悖，但研究人员发现了它与某种熟悉得多的现象之间存在惊人的相似性：热力学。事实上，量子纠缠理论和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（即前述熵）的增加，且完美的可恢复性是一种可达成但罕见且高效的理想状态——却一直难以实现。此处的可恢复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，随后又能将其无损地恢复至初始状态的能力。研究合著者Tulja Varun Kondra表示：“在量子信息科学中，寻找一个类似于热力学第二定律的第二定律一直是个悬而未决的问题。解决这个问题是我们的主要动机。”

针对该问题的许多研究聚焦于一种场景：两个相距遥远的参与者（通常称为Alice和Bob）希望交换量子信息，但被限制只能对其量子系统进行局域操作，并通过电话或互联网等方式进行经典通信。这种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，他们都不能影响其量子系统之间纠缠的内在非局域特性。

研究主要作者Alexander Streltsov解释道：“已知在此场景的LOCC操作下，纠缠是不可逆的。所以问题是，我们能否以某种有意义的方式超越LOCC，并恢复可恢复性？” 团队的回答是“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用于注入或存储功，纠缠电池则注入并存储纠缠。该电池可用于状态转化过程，并且电池本身的状态可被改变以执行操作。唯有一条规则：无论Alice和Bob做什么，他们都不能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。通过用假设的纠缠电池辅助标准LOCC操作，团队证明了任何混合态纠缠转化都能变得完全可逆。

这一成就是对围绕纠缠操控是否普遍可逆的争论的重要贡献。但这项工作更重要的成果是，研究人员证明了他们开发的方法适用于混合态纠缠转化之外，使他们能够利用纠缠电池在各种场景中验证可恢复性。证明所有量子态的纠缠操作是可逆的，有望产生一系列用于纠缠操作的第二定律。

纠缠电池甚至可能在纠缠理论之外找到用途。例如，同样的原理适用于涉及两个以上纠缠粒子的系统，为理解和操控复杂的量子网络铺平道路，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——一种额外的量子系统，在不减少目标资源的情况下参与转化过程——可基于最少的假设，系统地证明整个量子物理学中的可恢复性。Streltsov表示：“我们可以拥有一个旨在保持相干性或自由能的电池，然后在这个框架中制定可逆方案，其中我们可逆地操控系统的特定资源（而非纠缠）。尽管其中许多其他可恢复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。”