Un nuovo lavoro ha dimostrato che esiste un’entropia in un fenomeno quantistico cruciale: l’entanglement. In qualsiasi sistema isolato, l’entropia, l’ordine del sistema, non può mai diminuire. Nei sistemi classici questa è la legge della realtà più ferma possibile. È la seconda legge della termodinamica.
Quando però si tratta di meccanica quantistica, le cose non sono così stabili.
L’entanglement quantistico
Quando si effettua una misurazione su una particella in meccanica quantistica, si dice che la funzione d’onda collassa. Le proprietà della meccanica quantistica sono probabilistiche. Se due particelle sono intrecciate, fanno parte dello stesso stato quantistico e una misurazione su una farà collassare istantaneamente anche la funzione d’onda dell’altra, anche se le due particelle sono alle estremità opposte dell’Universo.
Questo potrebbe sembrare controintuitivo o una violazione di questa o quella legge della fisica, ma descrive un modo in cui possiamo misurare accuratamente il mondo. L’entanglement quantistico è estremamente utile nella tecnologia quantistica all’avanguardia, ma gli scienziati non erano sicuri di come un fenomeno del genere giochi con l’entropia.
Per far quadrare l’entanglement quantistico con la seconda legge della termodinamica, gli scienziati dovevano dimostrare che le trasformazioni dell’entanglement sono reversibili. È dimostrato che lavoro e calore sono reversibili nei sistemi termodinamici, ma questo non è semplice per l’entanglement quantistico.
Lo studio
Il team ha utilizzato trasformazioni di entanglement “probabilistiche”. Non funzionano sempre, ma questo quadro consente ai fisici di creare le trasformazioni reversibili necessarie per i calcoli dell’entropia. E sono riusciti a calcolare l’entropia di questo entanglement.
“I nostri risultati segnano progressi significativi nella comprensione delle proprietà di base dell’entanglement, rivelando connessioni fondamentali tra esso e la termodinamica e, soprattutto, fornendo un’importante semplificazione nella comprensione dei processi della sua conversione“.
“Questo non solo ha applicazioni immediate e dirette nei fondamenti della teoria quantistica, ma aiuterà anche a comprendere i limiti ultimi della nostra capacità di manipolare in modo efficiente l’entanglement nella pratica”, ha affermato l’autore dello studio Bartosz Regula, del Centro RIKEN per l’informatica quantistica.
È necessario ulteriore lavoro: questa è la prima parola certa sull’entropia dell’entanglement quantistico. La soluzione attuale e l’espansione futura potrebbero fornire nuove intuizioni su altri problemi che ancora limitano la nostra comprensione della fisica quantistica.
“Il nostro lavoro costituisce la prima prova che la reversibilità è un fenomeno realizzabile nella teoria dell’entanglement. Tuttavia, sono state ipotizzate forme di reversibilità ancora più forti, e c’è la speranza che possa essere reso reversibile anche sulla base di 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 mantenuta rimane quindi un affascinante problema aperto”, ha aggiunto Regula.
Conclusioni
Tra le domande fondamentali nella manipolazione delle risorse quantistiche come l’entanglement c’è la possibilità di trasformare in modo reversibile tutti gli stati delle risorse. La conseguenza chiave di questo sarebbe l’identificazione di una misura di risorsa entropica unica che quantifichi esattamente i limiti dei tassi di trasformazione ottenibili.
Sorprendentemente, i risultati precedenti hanno affermato che tale reversibilità asintotica è vera in contesti molto generali, tuttavia, recentemente tali risultati si sono rivelati incompleti, mettendo in dubbio la congettura.
Lo studio ha dimostrato che è effettivamente possibile interconvertire reversibilmente tutti gli stati nelle teorie generali delle risorse quantistiche, purché si consentano protocolli che possono avere successo solo probabilisticamente. Sebbene tali trasformazioni abbiano qualche possibilità di fallimento, mostriamo che è possibile garantire che la loro probabilità di successo sia limitata da zero, anche nel limite asintotico di infinite copie manipolate.
Come negli approcci precedentemente ipotizzati, la realizzabilità qui è realizzata attraverso operazioni che asintoticamente non generano risorse, e gli studiosi hanno dimostrato che questa scelta è ottimale: insiemi più piccoli di trasformazioni non possono portare alla reversibilità.
I metodi dei ricercatori si sono basati sul collegamento dei tassi di trasformazione secondo protocolli probabilistici con forti tassi inversi per trasformazioni deterministiche, che hanno rafforzato in un’esatta equivalenza nel caso della distillazione per entanglement.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications
