Dolaşmanın ikinci yasası, kapalı bir sistemdeki toplam karışma miktarının zamanla artamayacağını belirtir. Başka bir deyişle, dolaşıklık, ne yaratılabilen ne de yok edilebilen korunan bir kaynaktır.
İkinci yasanın gücü
Termodinamiğin ikinci yasası, yaygın olarak en yaygın olanlardan biri olarak kabul edilir. evrensel olarak doğru fizik yasaları. Herhangi bir yalıtılmış sistemin fiziksel düzensizliğinin bir ölçüsü olan entropinin zamanla asla azalamayacağını belirtir. Hangi süreçlerin tersine çevrilebilir olduğunu ve hangilerinin olmadığını belirleyerek günlük olaylara bir “zaman oku” ekler. Sıcak bir sobanın üzerindeki bir buz küpünün neden her zaman eriyeceğini ve atmosfere bir valf açıldığında neden sıkıştırılmış gazın her zaman kabından kaçacağını ve asla geri dönmeyeceğini açıklar.
Yalnızca eşit entropi ve enerjiye sahip durumlar tersine çevrilebilir. birinden diğerine dönüştürülür. Bu tersinirlik koşulu, (idealize edilmiş) Carnot döngüsü gibi termodinamik süreçlerin keşfedilmesine yol açtı; . Bu süreci anlamamız, Batı Sanayi Devrimi sırasındaki hızlı ekonomik gelişmenin temelini oluşturdu.
Kuantum entropisi
Termodinamiğin ikinci yasasının güzelliği, mikroskobik sistemden bağımsız olarak herhangi bir makroskopik sisteme uygulanabilir olmasıdır. detaylar. Kuantum sistemlerinde, bu ayrıntılardan biri dolaşıklık olabilir: sistemin ayrı bileşenlerinin özellikleri paylaşmasını sağlayan bir kuantum bağlantısı. Şaşırtıcı bir şekilde, kuantum dolaşıklığı, kuantum sistemleri çoğunlukla mikroskobik rejimde çalışılsa da, termodinamik ile birçok derin benzerliği paylaşıyor. Bilim adamları, en azından çevrelerinden mükemmel şekilde izole edilmiş idealize edilmiş kuantum sistemleri için, termodinamik entropinin rolünü tam olarak taklit eden bir “dolaşıklık entropisi” kavramını ortaya çıkardılar.
“Kuantum dolaşıklığı, pek çok şeyin altında yatan temel bir kaynaktır. geleceğin kuantum bilgisayarlarının gücü. Kuantum bilgi araştırmacısı Ludovico Lami, onu etkili bir şekilde kullanmak için onu nasıl manipüle edeceğimizi öğrenmemiz gerekiyor” diyor. Temel bir soru, dolanıklığın Carnot döngüsüne doğrudan benzetilerek her zaman tersine çevrilebilir şekilde manipüle edilip edilemeyeceği oldu. En önemlisi, bu tersinirliğin, en azından teoride, çevrelerinden mükemmel bir şekilde izole edilmemiş gürültülü (“karma”) kuantum sistemleri için bile geçerli olması gerekir.
Bir “ikinci yasanın” dolaşıklık entropisini genelleştirecek ve tüm dolaşıklık manipülasyon protokollerini yönetecek tek bir işlevde somutlaşan dolaşma’ kurulabilir. Bu varsayım, kuantum bilgi teorisindeki ünlü açık problemler listesinde yer alır.
Dolanıklığın ikinci yasası yoktur
Bu uzun süredir devam eden açık soruyu çözmek için Lami tarafından yürütülen araştırma (daha önce Ulm Üniversitesi ve şu anda QuSoft ve Amsterdam Üniversitesi’nde) ve Bartosz Regula (Tokyo Üniversitesi), dolaşıklığın manipüle edilmesinin temelde geri döndürülemez olduğunu göstererek, ikinci bir dolaşma yasası oluşturma umutlarını sona erdiriyor. Bu yeni sonuç, saf dolaşıklık kullanarak yaratması çok “pahalı” olan belirli bir kuantum halinin inşasına dayanıyor. Bu durumu yaratmak, yatırılan karışıklık tamamen düzeltilemeyeceğinden, her zaman bu karışıklığın bir kısmının kaybına neden olacaktır. Sonuç olarak, bu durumu başka bir duruma dönüştürmek ve tekrar geri döndürmek doğası gereği imkansızdır. Bu tür durumların varlığı daha önce bilinmiyordu.
Burada kullanılan yaklaşım, tam olarak hangi dönüştürme protokollerinin kullanıldığını varsaymadığı için, tüm olası ayarlarda dolaşmanın tersine çevrilebilirliğini dışlar. Kendilerinin yeni dolaşıklık oluşturmadıkları varsayılarak tüm protokoller için geçerlidir. Lami şöyle açıklıyor: “Dolaştırma işlemlerini kullanmak, başka bir yerden alınan alkolün içeceğe gizlice eklendiği bir içki fabrikasını işletmek gibi olacaktır.”
Lami: “Dolaştırma entropisi gibi tek bir niceliğin, tek bir dolaşık fiziksel sistemlerin izin verilen dönüşümleri hakkında bilinmesi gereken her şeyi bize anlatın. Bu nedenle, dolaşıklık teorisi ve termodinamik, temelde farklı ve uyumsuz yasalar tarafından yönetilir.”
Bu, kuantum dolaşıklığı tanımlamanın bilim adamlarının umduğu kadar basit olmadığı anlamına gelebilir. Bununla birlikte, bir dezavantaj olmaktan ziyade, dolaşıklık teorisinin termodinamiğin klasik yasalarına kıyasla çok daha büyük karmaşıklığı, karışıklığı başka türlü tasavvur bile edilemeyecek başarılar elde etmek için kullanmamıza izin verebilir. Lami, “Şimdilik kesin olarak bildiğimiz şey, dolaşıklığın, takdir ettiğimizden daha da zengin ve daha karmaşık bir yapıyı gizlediğidir.” yazan Ludovico Lami ve Bartosz Regula, 23 Ocak 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01873-9