Crédito:Domínio Público CC0 Bartosz Regula do Centro RIKEN de Computação Quântica e Ludovico Lami da Universidade de Amsterdã mostraram, através de cálculos probabilísticos, que existe de fato, como havia sido hipotetizado, uma regra de entropia para o fenômeno do emaranhamento quântico.
Esta descoberta pode ajudar a promover uma melhor compreensão do emaranhamento quântico, que é um recurso fundamental subjacente a grande parte do poder dos futuros computadores quânticos. Atualmente, pouco se sabe sobre as formas ideais de fazer uso eficaz dela, apesar de ser o foco da pesquisa na ciência da informação quântica há décadas.
A segunda lei da termodinâmica, que diz que um sistema nunca pode passar para um estado com menor entropia, ou ordem, é uma das leis mais fundamentais da natureza e está no cerne da física. É o que cria a "flecha do tempo" e nos revela o facto notável de que a dinâmica dos sistemas físicos gerais, mesmo os extremamente complexos, como os gases ou os buracos negros, é encapsulada por uma única função, a sua entropia.
Há uma complicação, no entanto. Sabe-se que o princípio da entropia se aplica a todos os sistemas clássicos, mas hoje exploramos cada vez mais o mundo quântico.
Estamos agora a passar por uma revolução quântica e torna-se crucialmente importante compreender como podemos extrair e transformar os recursos quânticos caros e frágeis. Em particular, o emaranhamento quântico, que permite vantagens significativas em comunicação, computação e criptografia, é crucial, mas devido à sua estrutura extremamente complexa, manipulá-lo de forma eficiente e até mesmo compreender as suas propriedades básicas é normalmente muito mais desafiador do que no caso da termodinâmica. .
A dificuldade reside no facto de que tal “segunda lei” para o emaranhamento quântico exigiria que mostrássemos que as transformações do emaranhamento podem ser reversíveis, tal como o trabalho e o calor podem ser interconvertidos na termodinâmica.
Sabe-se que a reversibilidade do emaranhamento é muito mais difícil de garantir do que a reversibilidade das transformações termodinâmicas, e todas as tentativas anteriores de estabelecer qualquer forma de teoria reversível do emaranhamento falharam. Suspeitou-se até que o emaranhamento poderia ser irreversível, tornando a busca impossível.
Em seu novo trabalho, publicado na Nature Communications , os autores resolvem essa conjectura de longa data usando transformações de emaranhamento probabilístico, que só têm garantia de sucesso algumas vezes, mas que, em troca, fornecem um poder maior na conversão de sistemas quânticos.
Sob tais processos, os autores mostram que é de fato possível estabelecer uma estrutura reversível para a manipulação do emaranhamento, identificando assim um cenário no qual emerge uma entropia única do emaranhamento e todas as transformações do emaranhamento são governadas por uma única quantidade. Os métodos utilizados poderiam ser aplicados de forma mais ampla, mostrando propriedades de reversibilidade semelhantes também para recursos quânticos mais gerais.
De acordo com Regula, "Nossas descobertas marcam um progresso significativo na compreensão das propriedades básicas do emaranhamento, revelando conexões fundamentais entre o emaranhamento e a termodinâmica e, crucialmente, proporcionando uma grande simplificação na compreensão dos processos de conversão do emaranhamento.
"Isso não só tem aplicações imediatas e diretas nos fundamentos da teoria quântica, mas também ajudará na compreensão das limitações finais da nossa capacidade de manipular eficientemente o emaranhamento na prática."
Olhando para o futuro, ele continua:"Nosso trabalho serve como a primeira evidência de que a reversibilidade é um fenômeno alcançável na teoria do emaranhamento. No entanto, formas ainda mais fortes de reversibilidade foram conjecturadas, e há esperança de que o emaranhamento possa ser reversível mesmo sob suposições mais fracas do que as que fizemos no nosso trabalho – nomeadamente, sem ter de confiar em transformações probabilísticas.
"A questão é que responder a essas questões parece significativamente mais difícil, exigindo a solução de problemas matemáticos e de teoria da informação que escaparam de todas as tentativas de resolvê-los até agora. Compreender os requisitos precisos para que a reversibilidade seja mantida permanece, portanto, um problema aberto fascinante."
