Новые открытия бросают вызов парадигме квантовой энтропии

Исследователи Венского технологического университета достигли значительных успехов в понимании квантовой энтропии, оспаривая устоявшиеся представления в этой области. Их исследование, опубликованное в PRX Quantum 3 февраля 2025 года, показывает, что энтропия в закрытой квантовой системе со временем увеличивается, пока не достигнет пика, что согласуется с принципами классической термодинамики.

Традиционно считалось, что квантовая физика действует вне законов термодинамики, особенно второго закона, который гласит, что энтропия в изолированной системе, как правило, увеличивается. Это недопонимание возникло из работ математика Джона фон Неймана, который предположил, что если известна полная информация о квантовой системе, ее энтропия остается постоянной.

Тем не менее, венские исследователи утверждают, что эта перспектива ошибочна. Они подчеркивают, что полное знание о квантовой системе в принципе недостижимо из-за присущих неопределенностей в измерениях. Вместо этого они предлагают использовать энтропию Шеннона, концепцию, разработанную Клодом Шенноном в 1948 году, для оценки неопределенности в конкретных наблюдаемых результатах.

Флориан Майер, ведущий автор исследования, объяснил, что когда возможен только один результат измерения, энтропия Шеннона равна нулю, что означает отсутствие новой информации. И наоборот, система с несколькими возможными исходами имеет высокую энтропию Шеннона, что отражает большую неопределенность и потенциал для новых открытий.

Исследователи иллюстрируют, что по мере течения времени энтропия квантовой системы увеличивается, что соответствует поведению, наблюдаемому в классической термодинамике, пока не стабилизируется на уровне равновесия. Эта находка подразумевает, что второй закон термодинамики применим к изолированным квантовым системам, при условии, что задаются правильные вопросы и используются адекватные определения энтропии.

Это исследование не только углубляет наше понимание квантовой механики, но также имеет потенциальные применения в квантовых вычислениях и теории информации, где управление и манипуляция энтропией имеют решающее значение для разработки эффективных алгоритмов и систем.