Este hallazgo podría ayudar a impulsar una mejor comprensión del entrelazamiento cuántico, que es un recurso clave que subyace a gran parte del poder de las futuras computadoras cuánticas. Actualmente se sabe poco sobre las formas óptimas de hacer un uso eficaz de ella, a pesar de que ha sido el foco de la investigación en ciencia de la información cuántica durante décadas.

La segunda ley de la termodinámica, que dice que un sistema nunca puede pasar a un estado con menor entropía u orden, es una de las leyes más fundamentales de la naturaleza y se encuentra en el corazón mismo de la física. Es lo que crea la "flecha del tiempo" y nos dice el hecho notable de que la dinámica de los sistemas físicos generales, incluso los extremadamente complejos como los gases o los agujeros negros, está encapsulada en una única función, su entropía.

Sin embargo, existe una complicación. Se sabe que el principio de entropía se aplica a todos los sistemas clásicos, pero hoy en día exploramos cada vez más el mundo cuántico.

Ahora estamos atravesando una revolución cuántica, y resulta de vital importancia comprender cómo podemos extraer y transformar los costosos y frágiles recursos cuánticos. En particular, el entrelazamiento cuántico, que permite ventajas significativas en comunicación, computación y criptografía, es crucial, pero debido a su estructura extremadamente compleja, manipularlo eficientemente e incluso comprender sus propiedades básicas suele ser mucho más desafiante que en el caso de la termodinámica. .

La dificultad radica en el hecho de que tal "segunda ley" para el entrelazamiento cuántico requeriría que demostráramos que las transformaciones de entrelazamiento pueden ser reversibles, al igual que el trabajo y el calor pueden interconvertirse en termodinámica.

Se sabe que la reversibilidad del entrelazamiento es mucho más difícil de garantizar que la reversibilidad de las transformaciones termodinámicas, y todos los intentos anteriores de establecer cualquier forma de teoría reversible del entrelazamiento han fracasado. Incluso se sospechaba que el enredo podría ser irreversible, haciendo que la búsqueda fuera imposible.

En su nuevo trabajo, publicado en Nature Communications , los autores resuelven esta conjetura de larga data mediante el uso de transformaciones de entrelazamiento probabilístico, que solo se garantiza que tendrán éxito algunas veces, pero que, a cambio, proporcionan una mayor potencia para convertir sistemas cuánticos.

Bajo tales procesos, los autores muestran que de hecho es posible establecer un marco reversible para la manipulación del entrelazamiento, identificando así un entorno en el que emerge una entropía única del entrelazamiento y todas las transformaciones del entrelazamiento están gobernadas por una sola cantidad. Los métodos que utilizaron podrían aplicarse de manera más amplia y mostrar propiedades de reversibilidad similares también para recursos cuánticos más generales.

Según Regula, "Nuestros hallazgos marcan un progreso significativo en la comprensión de las propiedades básicas del entrelazamiento, revelando conexiones fundamentales entre el entrelazamiento y la termodinámica y, fundamentalmente, proporcionando una importante simplificación en la comprensión de los procesos de conversión del entrelazamiento".

"Esto no sólo tiene aplicaciones inmediatas y directas en los fundamentos de la teoría cuántica, sino que también ayudará a comprender las limitaciones fundamentales de nuestra capacidad para manipular eficientemente el entrelazamiento en la práctica".

Mirando hacia el futuro, continúa:"Nuestro trabajo sirve como la primera evidencia de que la reversibilidad es un fenómeno alcanzable en la teoría del entrelazamiento. Sin embargo, se han conjeturado formas aún más fuertes de reversibilidad, y hay esperanzas de que el entrelazamiento pueda volverse reversible incluso bajo suposiciones más débiles que las que hemos hecho en nuestro trabajo, en particular, sin tener que depender de transformaciones probabilísticas.

"El problema es que responder a estas preguntas parece significativamente más difícil, ya que requiere la solución de problemas matemáticos y de teoría de la información que han eludido todos los intentos de resolverlos hasta ahora. Comprender los requisitos precisos para que se cumpla la reversibilidad sigue siendo un problema abierto fascinante".