Cette découverte pourrait contribuer à une meilleure compréhension de l’intrication quantique, qui est une ressource clé qui sous-tend une grande partie de la puissance des futurs ordinateurs quantiques. On sait actuellement peu de choses sur les moyens optimaux d'en faire un usage efficace, bien qu'il soit au centre de la recherche en science de l'information quantique depuis des décennies.

La deuxième loi de la thermodynamique, selon laquelle un système ne peut jamais passer à un état d’entropie ou d’ordre inférieur, est l’une des lois les plus fondamentales de la nature et se trouve au cœur même de la physique. C'est ce qui crée la « flèche du temps » et nous révèle le fait remarquable que la dynamique des systèmes physiques généraux, même les plus complexes comme les gaz ou les trous noirs, est encapsulée par une seule fonction, son entropie.

Il y a cependant une complication. Le principe de l'entropie est connu pour s'appliquer à tous les systèmes classiques, mais aujourd'hui nous explorons de plus en plus le monde quantique.

Nous traversons actuellement une révolution quantique et il devient d’une importance cruciale de comprendre comment nous pouvons extraire et transformer les ressources quantiques coûteuses et fragiles. En particulier, l'intrication quantique, qui offre des avantages significatifs en matière de communication, de calcul et de cryptographie, est cruciale, mais en raison de sa structure extrêmement complexe, sa manipulation efficace et même la compréhension de ses propriétés fondamentales sont généralement beaucoup plus difficiles que dans le cas de la thermodynamique. .

La difficulté réside dans le fait qu'une telle « seconde loi » de l'intrication quantique nous obligerait à montrer que les transformations de l'intrication peuvent être rendues réversibles, tout comme le travail et la chaleur peuvent être interconvertis en thermodynamique.

On sait que la réversibilité de l’intrication est beaucoup plus difficile à garantir que la réversibilité des transformations thermodynamiques, et toutes les tentatives précédentes visant à établir une forme quelconque de théorie réversible de l’intrication ont échoué. On soupçonnait même que l'enchevêtrement pourrait en réalité être irréversible, rendant la quête impossible.

Dans leur nouvel ouvrage, publié dans Nature Communications , les auteurs résolvent cette conjecture de longue date en utilisant des transformations d'intrication probabilistes, dont le succès n'est garanti que de temps en temps, mais qui, en retour, fournissent une puissance accrue dans la conversion des systèmes quantiques.

Dans le cadre de tels processus, les auteurs montrent qu'il est effectivement possible d'établir un cadre réversible pour la manipulation de l'intrication, identifiant ainsi un cadre dans lequel une entropie unique de l'intrication émerge et toutes les transformations de l'intrication sont régies par une seule quantité. Les méthodes qu'ils ont utilisées pourraient être appliquées plus largement, montrant des propriétés de réversibilité similaires également pour des ressources quantiques plus générales.

Selon Regula, "Nos découvertes marquent des progrès significatifs dans la compréhension des propriétés fondamentales de l'intrication, révélant des liens fondamentaux entre l'intrication et la thermodynamique et, surtout, fournissant une simplification majeure dans la compréhension des processus de conversion de l'intrication.

"Cela a non seulement des applications immédiates et directes dans les fondements de la théorie quantique, mais cela aidera également à comprendre les limites ultimes de notre capacité à manipuler efficacement l'intrication dans la pratique."

En regardant vers l'avenir, il poursuit :« Notre travail constitue la toute première preuve que la réversibilité est un phénomène réalisable dans la théorie de l'intrication. Cependant, des formes de réversibilité encore plus fortes ont été conjecturées, et il y a de l'espoir que l'intrication puisse être rendue réversible même dans des conditions extrêmes. des hypothèses plus faibles que celles que nous avons formulées dans notre travail, notamment sans avoir recours à des transformations probabilistes.

"Le problème est que répondre à ces questions semble beaucoup plus difficile, nécessitant la solution de problèmes mathématiques et de théorie de l'information qui ont échappé à toutes les tentatives de résolution jusqu'à présent. Comprendre les exigences précises pour que la réversibilité soit valable reste donc un problème ouvert et fascinant. "