In einer bahnbrechenden Leistung haben Forscher ein Quantenanalogon zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik enthüllt, das neue Türen in der Quanteninformationswissenschaft öffnet. Diese im Juli 2025 bekanntgegebene Entdeckung führt das Konzept einer "Verschränkungsbatterie" ein, einem Quantensystem, das perfekt reversible Transformationen von Quantenzuständen ermöglicht.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt typischerweise die Tendenz von Systemen zur Unordnung. Die Anwendung dieses Prinzips im Quantenbereich war jedoch eine erhebliche Herausforderung. Der innovative Ansatz des Teams beinhaltet eine Verschränkungsbatterie, die Verschränkung während der Zustands-Transformationen speichert und den Austausch erleichtert.
Durch Einspeisen oder Entnehmen von Verschränkung aus der Batterie zeigten die Wissenschaftler, dass jede Transformation von Verschränkung in gemischten Zuständen perfekt reversibel gemacht werden kann. Dieser Durchbruch löst das langjährige Problem der Irreversibilität bei der Manipulation von Quantenverschränkung, insbesondere unter lokalen Operationen und klassischen Kommunikationsbeschränkungen (LOCC).
Die Implikationen dieser Forschung gehen über die theoretische Physik hinaus und bieten einen Weg zum Verständnis und zur Kontrolle komplexer Quantennetzwerke. Die Prinzipien der Verschränkungsbatterie können auf "Ressourcenbatterien" verallgemeinert werden, die andere Quantenressourcen wie Kohärenz oder freie Energie erhalten. Dies könnte zukünftige Quantentechnologien revolutionieren und zu hocheffizienten Systemen führen.
"Wir können eine Batterie haben, die Kohärenz oder freie Energie erhalten soll, und dann können wir einen reversiblen Rahmen in diesem Bereich formulieren", erklärt Alexander Streltsov, der Hauptautor. Dieser neue Rahmen bietet einen einheitlichen Beweis, der auf etablierten physikalischen Prinzipien basiert und verspricht, unser Verständnis und unsere Manipulation der Quantenwelt neu zu gestalten.