Az összefonódás a kvantumvilág középpontjában
A kvantummechanika egyik legrejtélyesebb eleme az összefonódás: ha két részecske összefonódott, az egyik kvantumállapotának megmérése azonnal információt ad a másikról – akár a világegyetem két végén lennének is. Az összefonódás gondolata közel 90 éve született, eredetileg a kvantumelmélet abszurditásának bizonyítására. Azóta ez a terület robbanásszerűen fejlődött, hiszen az összefonódás a kvantuminformáció-elmélet kulcsfontosságú erőforrása: lehetővé teszi a kvantumteleportációt, kvantumkriptográfiát és számos úttörő informatikai, kommunikációs, valamint mérési technológia fejlesztését is.
Termodinamika és kvantumfizika párhuzamai
A kvantum-összefonódás működése sok szempontból hasonlít a termodinamika világához. Ilyen például az úgynevezett „összefonódási entrópia” – ez az ideálisan zajmentes kvantumrendszerekben hasonlóan viselkedik, mint a termikus entrópia. Mindeddig azonban hiányzott az a kvantumfizikai „második főtétel”, amely kimondja, hogy minden folyamat egyre nagyobb rendezetlenség (entrópia) felé tart, s csak extrém ritka – de lehetséges – eset az, amikor egy folyamat tökéletesen visszafordítható.
A visszafordíthatóság itt azt jelenti: a rendszer külső manipulációval veszteség nélkül visszavihető eredeti állapotába, nem pedig azt, hogy a folyamat időben megfordul. A kvantuminformáció-elmélet egyik jelentős nyitott kérdése volt, hogy létezhet-e ilyen visszafordíthatósági törvény az összefonódásra.
Az összefonódás-akkumulátor trükkje
A kutatások zöme egy olyan helyzetet vizsgált, ahol két fél (legyenek Alice és Bob) egymástól távol szeretne kvantuminformációt cserélni, de csak a saját rendszerüket manipulálhatják, és klasszikus csatornán (telefonon, interneten) kommunikálnak. Ilyen körülmények között az összefonódás alapvetően nem visszafordítható – eddig.
A fordulatot egy új szereplő, az úgynevezett összefonódás-akkumulátor bevezetése hozta. Ez olyan, mint egy klasszikus akkumulátor: energiát tárol, majd abból lehet adni vagy elvenni, anélkül hogy csökkenne a fő erőforrás szintje. Tehát ha Alice és Bob egy extra összefonódott rendszerrel – egy akkumulátorral – bővítik a készletüket, akkor minden összefonódás-átalakítási folyamat tökéletesen visszafordíthatóvá válik.
Az egyetlen szabály, hogy az akkumulátor szintje nem csökkenhet a műveletek során. Ez a plusz erőforrás gyakorlatilag minden eddiginél univerzálisabbá teszi az összefonódás manipulációját, ami új második főtételekhez vezethet.
Új horizontok a kvantumtechnológiákban
Az összefonódás-akkumulátor ötlete nem csak két részecskés rendszereknél működik. Elvileg nagyobb, bonyolultabb kvantumhálózatokban is alkalmazható, így akár a jövő szuperhatékony kvantumtechnológiáinak alapja lehet.
Ez az elv könnyen általánosítható más kvantumerőforrásokra is – például koherenciára vagy szabadenergiára. Ha minden erőforráshoz külön „akkumulátort” definiálunk, rendszerezett módon bizonyítható a visszafordíthatóság az egész kvantumfizikán belül, kevés, jól megalapozott fizikai feltétel mellett. Az új keretrendszer egységes bizonyítékkal szolgálhat a kvantum-visszafordíthatóság különféle eseteiben.
