熱力學(xué)第二定律被廣泛認(rèn)為是最普遍的真實(shí)的物理定律之一。它規(guī)定，任何孤立系統(tǒng)的熵，即物理無(wú)序的量度，永遠(yuǎn)不會(huì)隨時(shí)間而減少。它為日常發(fā)生的事情添加了一個(gè)"時(shí)間之箭"，確定哪些過(guò)程是可逆的，哪些是不可逆的。它解釋了為什么熱爐子上的冰塊總是會(huì)融化，為什么壓縮氣體總是會(huì)從其容器中逸出，并且在打開(kāi)閥門(mén)通向大氣時(shí)不會(huì)返回。

只有熵和能量相等的狀態(tài)才能從一個(gè)可逆地轉(zhuǎn)換到另一個(gè)。這種可逆性條件導(dǎo)致了熱力學(xué)過(guò)程的發(fā)現(xiàn)，如（理想化的）卡諾循環(huán)，它為人們?nèi)绾斡行У貙崃哭D(zhuǎn)化為功，或通過(guò)不同溫度和壓力的封閉系統(tǒng)循環(huán)提出了一個(gè)上限。我們對(duì)這一過(guò)程的理解支撐了西方工業(yè)革命期間的快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

熱力學(xué)第二定律的魅力在于它適用于任何宏觀系統(tǒng)，而不考慮微觀細(xì)節(jié)。在量子系統(tǒng)中，這些細(xì)節(jié)之一可能是糾纏：一種量子連接，使系統(tǒng)中分離的組件共享屬性。耐人尋味的是，量子糾纏與熱力學(xué)有許多深刻的相似之處，盡管量子系統(tǒng)大多在微觀系統(tǒng)中被研究。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)"糾纏熵"的概念，它精確地模仿了熱力學(xué)熵的作用，至少對(duì)于與周?chē)h(huán)境完全隔離的理想化量子系統(tǒng)是如此。

"量子糾纏是一種關(guān)鍵資源，它是未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的大部分力量的基礎(chǔ)。"量子信息研究員盧多維科-拉米說(shuō)："為了有效利用它，我們需要學(xué)習(xí)如何操縱它。一個(gè)基本的問(wèn)題是，糾纏是否總是可以被可逆地操縱，直接類(lèi)似于卡諾循環(huán)。至關(guān)重要的是，這種可逆性至少在理論上需要成立，甚至對(duì)于沒(méi)有與環(huán)境完全隔離的嘈雜（混合）量子系統(tǒng)也是如此。"

有人猜想可以建立一個(gè)"糾纏第二定律"，它體現(xiàn)在一個(gè)單一的函數(shù)中，該函數(shù)將概括糾纏熵并管理所有糾纏操作協(xié)議。這個(gè)猜想在量子信息論的一個(gè)著名的開(kāi)放問(wèn)題清單中得到了體現(xiàn)。

并沒(méi)有糾纏第二定律

拉米（曾在烏爾姆大學(xué)工作，目前在QuSoft和阿姆斯特丹大學(xué)工作）和巴托斯-雷古拉（東京大學(xué)）進(jìn)行的研究解決了這個(gè)長(zhǎng)期存在的開(kāi)放性問(wèn)題，證明操縱糾纏從根本上是不可逆的，從而使建立糾纏第二定律的任何希望破滅。這個(gè)新的結(jié)果依賴(lài)于一個(gè)特定量子態(tài)的構(gòu)建，而這個(gè)量子態(tài)使用純糾纏來(lái)創(chuàng)建是非常"昂貴"的。創(chuàng)造這種狀態(tài)總是會(huì)導(dǎo)致這種糾纏的一些損失，因?yàn)橥度氲募m纏不能完全恢復(fù)。因此，從本質(zhì)上講，將這種狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種狀態(tài)并再次轉(zhuǎn)化是不可能的。這種狀態(tài)的存在以前是未知的。

因?yàn)檫@里使用的方法并不預(yù)設(shè)使用什么確切的轉(zhuǎn)換協(xié)議，它排除了所有可能情況下的糾纏的可逆性。它適用于所有協(xié)議，假設(shè)它們本身不產(chǎn)生新的糾纏。拉米解釋說(shuō)。"使用糾纏操作就像經(jīng)營(yíng)一家酒廠，在酒廠中，來(lái)自其他地方的酒精被秘密地添加到飲料中。"

拉米："我們可以得出結(jié)論，沒(méi)有一個(gè)單一的數(shù)量，如糾纏熵可以告訴我們關(guān)于糾纏物理系統(tǒng)的允許轉(zhuǎn)變的一切。因此，糾纏理論和熱力學(xué)是由根本不同的、不相容的幾套法則所支配的。"

這可能意味著描述量子糾纏并不像科學(xué)家希望的那樣簡(jiǎn)單。然而，與經(jīng)典的熱力學(xué)定律相比，糾纏理論的巨大復(fù)雜性非但沒(méi)有成為一個(gè)缺點(diǎn)，反而可能使我們能夠利用糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)一些本來(lái)完全無(wú)法想象的創(chuàng)舉。"拉米總結(jié)說(shuō)："就目前而言，我們可以肯定的是，糾纏隱藏著一個(gè)更豐富、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而這是我們?cè)?jīng)給予它的評(píng)價(jià)。"