Toch geen ‘tweede wet van verstrengeling’

Een internationaal onderzoeksteam heeft aangetoond dat verstrengelingsmanipulatie fundamenteel onomkeerbaar is, waardoor een tweede wet van verstrengeling onmogelijk is.

Trefwoorden: #quantum, #verstrengeling

Lees verder

research

( Foto: Universiteit van Amsterdam )

ENGINEERINGNET.BE - De tweede wet van de thermodynamica wordt vaak gezien als de enige natuurwet die absoluut waar is.

Deze wet stelt dat de hoeveelheid van zogenoemde 'entropie' van een gesloten systeem nooit kan afnemen. Hij voegt een ‘pijl van de tijd’ toe aan gebeurtenissen door te bepalen welke processen omkeerbaar zijn, en welke niet.

Alleen wanneer twee toestanden precies dezelfde entropie en energie hebben, kan de een in de ander worden omgezet. Deze voorwaarde voor omkeerbaarheid leidde tot de ontdekking van thermodynamische processen als de Carnot-cyclus, die een bovengrens stelt aan hoe efficiënt je warmte kunt omzetten in arbeid, en andersom, door een gesloten systeem langs verschillende temperaturen en drukken te laten gaan.

Nu zijn er vele overeenkomsten gevonden tussen quantumverstrengeling en thermodynamica. Wetenschappers hebben zelfs een ‘verstrengelingsentropie’ ontdekt die in ieder geval voor quantumsystemen die perfect geïsoleerd zijn van hun omgeving dezelfde rol speelt als de klassieke entropie.

“Quantumverstrengeling ligt ten grondslag aan een groot deel van de kracht van toekomstige quantumcomputers. Om hier effectief gebruik van te maken, moeten we leren hoe we die kunnen bewerken,” zegt quantuminformatie-onderzoeker Ludovico Lami.

Een fundamentele vraag is of we verstrengeling altijd omkeerbaar kunnen manipuleren, in analogie met de Carnot-cyclus. Het is hierbij cruciaal dat deze omkeerbaarheid ook zou moeten gelden voor ‘gemengde’ quantumsystemen die niet goed geïsoleerd zijn gehouden van hun omgeving.

Het vermoeden was dat er een ‘tweede wet van verstrengeling’ zou bestaan, in de vorm van een enkele vergelijking die de verstrengelingsentropie zou generaliseren en toepasbaar zou zijn op alle protocollen van verstrengelingsmanipulatie.

Maar onderzoek door Lami (QuSoft en Universiteit van Amsterdam) en Bartosz Regula (Universiteit van Tokyo) laat zien dat verstrengelingsmanipulatie fundamenteel onomkeerbaar is, waardoor een tweede wet van verstrengeling onmogelijk is.

Dit nieuwe resultaat maakt gebruik van een specifiek soort quantumtoestand die erg ‘duur’ is om te maken met pure verstrengeling. Bij het maken van deze toestand gaat altijd een deel van de verstrengeling verloren, aangezien de geïnvesteerde verstrengeling niet volledig is te herstellen.

Als gevolg hiervan is het inherent onmogelijk om deze toestand in een andere te transformeren en weer terug. Het bestaan van dergelijke toestanden was hiervoor onbekend.

De gebruikte methode sluit in één klap de omkeerbaarheid van verstrengelingsmanipulaties uit in alle mogelijke situaties, omdat die niet veronderstelt welke exacte transformatieprotocollen worden gebruikt. De methode werkt voor alle protocollen, zolang ze zelf geen nieuwe verstrengeling genereren.

Lami: “Geen enkele grootheid, zoals de verstrengelingsentropie, kan ons alles vertellen wat er te weten valt over de toegestane transformaties van verstrengelde fysische systemen. De theorieën van verstrengeling en thermodynamica worden dus beheerst door fundamenteel verschillende en onverenigbare wetten.”

De veel grotere complexiteit van de theorie van verstrengeling in vergelijking met de klassieke wetten van de thermodynamica, kan ons echter in staat stellen om verstrengeling te gebruiken voor prestaties die anders ondenkbaar zouden zijn.