当两个微观系统纠缠在一起时，无论两者之间的物理距离如何，它们的特性都会相互关联。操纵这种独特的量子现象可以实现量子密码学、通信和计算。虽然量子纠缠与经典热物理学之间存在相似之处，但新的研究证明了这种比较的局限性。纠缠比我们想象的还要丰富。
卡诺循环是一种通用的能源生产模型，可以应用于任何热能源。由先驱法国物理学家萨迪·卡诺 (Sadi Carnot) 于 1824 年发明，当时只有蒸汽机可用，如今它同样可以很好地应用于核电站或太阳能发电厂。
第二定律的力量
热力学第二定律通常被认为是为数不多的绝对正确的物理定律之一。该定律指出，任何封闭系统的“熵”（一种物理属性）的数量永远不会减少。它将“时间之箭”添加到日常事件中，确定哪些过程是可逆的，哪些不是。它解释了为什么放在热炉上的冰块总是会融化，以及为什么当阀门向大气打开时，压缩气体总是会从容器中飞出（而不会回到容器中）。
只有熵和能量相等的状态才能从一种状态可逆地转换为另一种状态。这种可逆性条件导致了热力学过程的发现，例如（理想化的）卡诺循环，它通过在不同的温度和压力下循环封闭系统，对将热量转化为功或相反的方式的效率设定了上限。我们对这一过程的理解支撑了西方工业革命期间经济的快速发展。
量子熵
热力学第二定律的美妙之处在于它适用于任何宏观系统，而不管微观细节。在量子系统中，这些细节之一可能是纠缠：一种使系统的分离组件共享属性的量子连接。有趣的是，量子纠缠与热力学有许多相似之处，尽管量子系统主要是在微观范围内研究的。科学家们发现了一种“纠缠熵”的概念，它精确地模拟了热力学熵的作用，至少对于与周围环境完全隔离的理想化量子系统而言是这样。
“量子纠缠是未来量子计算机强大功能的关键资源。要有效利用它，我们需要学习如何操纵它，”量子信息研究员 Ludovico Lami 说。一个基本问题变成了纠缠是否总是可以被可逆地操纵，与卡诺循环直接类比。至关重要的是，这种可逆性至少在理论上需要保持，即使对于尚未与环境完全隔离的嘈杂（“混合”）量子系统也是如此。
据推测，可以建立一个“纠缠第二定律”，体现在一个单一的函数中，该函数将概括纠缠熵并管理所有纠缠操作协议。这个猜想出现在量子信息论的一个著名的开放问题列表中。
没有纠缠第二定律
为了解决这个长期存在的悬而未决的问题，Lami（之前在乌尔姆大学，目前在 QuSoft 和阿姆斯特丹大学）和 Bartosz Regula（东京大学）进行的研究表明，纠缠的操纵从根本上是不可逆转的，使建立纠缠第二定律的希望破灭了。这一新结果依赖于特定量子态的构建，使用纯纠缠创建这种量子态非常“昂贵”。创造这种状态总是会导致一些纠缠的损失，因为投入的纠缠无法完全恢复。因此，本质上不可能将这种状态转换为另一种状态并再次返回。这种状态的存在以前是未知的。
量子态 ω3 是不可逆的：要从纯纠缠中准备它的七个副本，需要大约七个“纠缠位”（ebits），但一旦完成，投入的七个 ebits 就无法恢复。实际上，要恢复 7 个 ebit，需要大约 12 个状态副本。
因为这里使用的方法不预先假定使用什么确切的转换协议，所以它排除了所有可能设置中纠缠的可逆性。它适用于所有协议，假设它们自己不会产生新的纠缠。Lami 解释说：“使用纠缠操作就像经营一家酿酒厂，将来自其他地方的酒精秘密添加到饮料中。”
Lami:“我们可以得出结论，没有一个单一的量，如纠缠熵，可以告诉我们关于允许的纠缠物理系统转换的所有信息。因此，纠缠理论和热力学是由根本不同且不相容的定律所支配的。”
这可能意味着描述量子纠缠并不像科学家所希望的那么简单。然而，这并不是缺点，与经典热力学定律相比，纠缠理论的更大复杂性可能使我们可以使用纠缠来实现否则完全无法想象的壮举。“就目前而言，我们可以肯定的是，纠缠隐藏了一个更丰富、更复杂的结构，我们认为它是可信的，”Lami总结道。
参考链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230124101544.htm
