JULY 3, 2025
Quantum equivalent of thermodynamics' second law discovered for entanglement manipulation
Découverte de l'équivalent quantique de la deuxième loi de la thermodynamique pour la manipulation de l'intrication
par l'Université de Varsovie
Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Illustration d'une batterie d'intrication. Cette batterie permet l'interconversion réversible entre deux états intriqués. Crédit : American Physical Society
Un peu plus de 200 ans après la formulation de la deuxième loi de la thermodynamique par l'ingénieur et physicien français Sadi Carnot, une équipe internationale de chercheurs a dévoilé une loi analogue pour le monde quantique. Cette deuxième loi de la manipulation de l'intrication prouve que, tout comme la chaleur ou l'énergie dans un régime thermodynamique idéalisé, l'intrication peut être manipulée de manière réversible, une affirmation jusqu'alors fortement contestée.
Cette nouvelle recherche, publiée le 2 juillet 2025 dans Physical Review Letters, approfondit la compréhension des propriétés fondamentales de l'intrication et fournit des informations fondamentales essentielles sur la manière de manipuler efficacement l'intrication et d'autres phénomènes quantiques en pratique.
L'intrication est sans doute la caractéristique centrale de la mécanique quantique. Si deux particules microscopiques sont dites intriquées, si l'on mesure une propriété quantique de l'une d'elles puis que l'on répète la mesure sur sa partenaire intriquée, on constate systématiquement une corrélation entre les deux particules, même si elles sont très éloignées. Par conséquent, connaître l'état d'une particule fournit automatiquement des informations sur l'autre.
L'intrication a été introduite il y a environ 90 ans pour prouver l'absurdité de la théorie quantique considérée comme une description complète de la nature. Pourtant, elle n'est plus considérée comme absurde aujourd'hui.
Après des preuves exhaustives de l'authenticité de l'intrication dans le monde réel, elle est aujourd'hui la ressource clé de la théorie de l'information quantique, permettant la téléportation et la cryptographie quantiques, et offrant des avantages significatifs en informatique quantique, en communication et en mesures de précision.
Bien que l'intrication semble encore contre-intuitive à notre expérience du monde, les chercheurs ont découvert des parallèles frappants avec une théorie beaucoup plus familière : la thermodynamique. En réalité, de nombreuses similitudes sont apparues entre les théories de l'intrication quantique et de la thermodynamique. Par exemple, l'« entropie d'intrication » est une caractéristique des systèmes quantiques idéalisés et silencieux, qui imite le rôle de l'entropie thermodynamique.
Cependant, un équivalent du deuxième principe de la thermodynamique – qui stipule que les processus tendent vers un désordre croissant (l'entropie susmentionnée) et que la réversibilité parfaite est un idéal atteignable, bien que rare et hautement efficace – est resté obstinément hors d'atteinte. Ici, la réversibilité ne fait pas référence à la symétrie temporelle, mais à la capacité d'un agent externe à manipuler le système pour le faire passer dans un état différent, puis à le ramener à son état initial sans perte.
Trouver une seconde loi analogue à celle de la thermodynamique est un problème ouvert en informatique quantique », explique Tulja Varun Kondra, co-auteure de l'étude. « Résoudre ce problème a été notre principale motivation.»
De nombreux travaux visant à résoudre ce problème se sont concentrés sur un scénario dans lequel deux entités distantes (souvent appelées Alice et Bob) souhaitent échanger des informations quantiques, mais sont limitées à une action locale sur leurs systèmes quantiques et à une communication classique, par exemple par téléphone ou Internet. Cette limitation aux opérations locales et à la communication classique (LOCC) simplifie la situation : quoi qu'Alice et Bob fassent, ils ne peuvent pas affecter les propriétés intrinsèquement non locales de l'intrication entre leurs systèmes quantiques.
« On sait qu'avec les opérations LOCC dans ce scénario, l'intrication est irréversible », explique Alexander Streltsov, auteur principal de l'étude. « La question est donc : pouvons-nous dépasser LOCC de manière significative et retrouver la réversibilité ? » La réponse de l'équipe est « oui », à condition qu'Alice et Bob partagent un système intriqué supplémentaire : une batterie d'intrication.
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Tout comme une batterie ordinaire stocke de l'énergie qui peut être utilisée pour injecter ou stocker du travail en thermodynamique, une batterie d'intrication injecte et stocke de l'intrication. La batterie peut être utilisée dans le processus de transformation d'état et son état peut être modifié pour effectuer des opérations. Une seule règle : quoi qu'Alice et Bob fassent, ils ne doivent pas diminuer le niveau d'intrication de la batterie.
Et tout comme une batterie ordinaire permet d'effectuer des tâches qui seraient impossibles sans elle, une batterie d'intrication le permet également. En facilitant les opérations LOCC standard grâce à leur batterie d'intrication hypothétique, l'équipe a démontré que toute transformation d'intrication d'états mixtes peut être rendue parfaitement réversible.
Cette avancée apporte une contribution significative au débat sur la réversibilité générale de la manipulation d'intrication. Mais un résultat plus important de ces travaux est que les chercheurs ont démontré que les méthodes qu'ils ont développées sont applicables au-delà de la transformation d'intrication d'états mixtes, leur permettant d'exploiter la batterie d'intrication pour vérifier la réversibilité dans divers scénarios. Prouver que les manipulations d'intrication dans tous les états quantiques sont réversibles devrait conduire à une famille de secondes lois pour la manipulation d'intrication.
La batterie d'intrication pourrait même trouver des applications en dehors de la théorie de l'intrication. Par exemple, les mêmes principes s'appliquent aux systèmes impliquant plus de deux particules intriquées, ouvrant la voie à la compréhension et à la manipulation de réseaux quantiques complexes et, peut-être, au développement de futures technologies quantiques hautement performantes.
De plus, la généralisation du concept de batterie d'intrication à une batterie de ressources – un système quantique supplémentaire participant au processus de transformation sans réduire la ressource concernée – pourrait permettre la démonstration systématique de la réversibilité en physique quantique, sur la base d'un ensemble minimal d'hypothèses.
« Nous pouvons disposer d'une batterie censée préserver la cohérence ou l'énergie libre, puis formuler un cadre réversible dans ce contexte où, au lieu de l'intrication, nous manipulons de manière réversible cette ressource particulière de notre système », explique Streltsov. « Bien que nombre de ces autres principes de réversibilité aient déjà été confirmés par d'autres approches, notre technique offre un cadre de preuve unifié basé sur des principes physiques bien établis. »
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RESUME
Manipulation de l'intrication
Un peu plus de 200 ans après la formulation du deuxième principe de la thermodynamique par l'ingénieur et physicien français Sadi Carnot, une équipe internationale de chercheurs a dévoilé une loi analogue applicable au monde quantique. Cette deuxième loi de manipulation de l'intrication prouve que, tout comme la chaleur ou l'énergie dans un régime thermodynamique idéalisé, l'intrication peut être manipulée de manière réversible, une affirmation jusqu'alors fortement contestée.
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COMMENTAIRES
Ce blog se veut pédagogique ;la thermodynamique étudie les lois d écoulement de la chaleur ....Ses 3 principessont :
1/ Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé, la variation de son énergie est égale à la quantité d'énergie échangée avec le milieu extérieur, par transfert thermique (chaleur) et transfert mécanique (travail). »
2/La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale d'un système augmente ou reste constante dans tout processus spontané ; elle ne diminue jamais .
3/A la température de zéro kelvin, l'entropie de tout corps pur, parfaitement cristallisé dans sa forme stable, est nulle.
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Chercher a trouver les propriétés de l intrication quantique n a pour moi qu un interet universitaire !!!
XXXXXXXXXMore information: Ray Ganardi et al, Second Law of Entanglement Manipulation with an Entanglement Battery, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kl56-p2vb. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2405.10599
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
Provided by University of Warsaw
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