Quantenäquivalent des 2. Hauptsatz der Thermodynamik entdeckt

Ein zentrales Rätsel der Quantenphysik scheint gelöst: En­tangle­ment - also Quantenverschränkung - lässt sich unter bestimmten Bedingungen genauso verlustfrei "hin und zurück" manipulieren wie Energie in der klassischen Thermodynamik.

Wunderbatterie: Verschränkung nun umkehrbar

Alles beginnt mit einem Gedankenexperiment: Zwei Teilchen, weit voneinander entfernt - und doch sofort miteinander verbunden. Misst man eines, kennt man augenblicklich den Quantenzustand des anderen - etwa Spin oder Polarisation -, auch wenn beide Teilchen Lichtjahre voneinander entfernt sind. Diese Fernwirkung ohne greifbare Verbindung ist seit Jahrzehnten das Herzstück der Quantenmechanik - und zugleich ihr größtes Mysterium.

Schon länger beobachten Physiker auffällige Gemeinsamkeiten zwischen der klassischen Thermodynamik - also der Lehre von Wärme und Energie - und den Gesetzmäßigkeiten der Quantenverschränkung. So gibt es in beiden Bereichen eine Art Maß für Ordnung: In der Thermodynamik beschreibt Entropie, wie stark Energie in einem System verteilt ist - also ob es geordnet oder durcheinander erscheint. Auch in der Quantenwelt gibt es ein solches Maß: die Verschränkungs-Entropie. Sie zeigt, wie eng zwei Teilchen miteinander verbunden sind. Doch eine zentrale Frage blieb offen: Gibt es auch in der Quantenwelt ein Gesetz, das - wie der zweite Hauptsatz der Thermodynamik - regelt, wann sich ein Prozess vollständig und verlustfrei umkehren lässt?

Die Suche nach einem zweiten Gesetz, das dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik entspricht, war bislang ein ungelöstes Problem in der Quanteninformationswissenschaft. Die Lösung dieses Problems war unsere Hauptmotivation.

Bisher galt: Nein. Eine verlustfreie Rückkehr zum Ausgangszustand schien nicht möglich - zumindest dann, wenn zwei Beteiligte nur lokal an ihren verschränkten Teilchen arbeiten und sich ausschließlich über klassische Kanäle wie Telefon oder Internet abstimmen dürfen. In der Fachsprache werden solche Szenarien oft mit den fiktiven Figuren "Alice" und "Bob" beschrieben - sie stehen stellvertretend für zwei Forscher, die mit verschränkten Teilchen arbeiten oder Quanteninformationen austauschen. In solchen Szenarien konnte die veränderte Verschränkung nicht vollständig rückgängig gemacht werden.

Genau an diesem Punkt setzt die neue Arbeit an, veröffentlicht am 2. Juli 2025 in Physical Review Letters. Ein internationales Team, darunter Tulja Varun Kondra und Alexander Streltsov, hat einen Ausweg gefunden: die Entanglement Battery. Diese Batterie speichert nicht Energie, sondern Verschränkung selbst. Solange ihr "Ladestand" nicht sinkt, kann sie bei jeder Manipulation assistieren - und damit Reversibilität ermöglichen. Alice und Bob können damit auch komplexe, gemischte Zustände ohne bleibenden Verlust transformieren und zurückführen. Der Trick: Die Batterie wirkt als Katalysator, ohne sich aufzubrauchen.

Was ist die "Entanglement Battery" konkret?

Verschiebungslogik

"Was wir zeigen, ist ein vollständiger reversibler Rahmen für Verschiebungen jeder Art von Verschränkung", sagt Streltsov. Der Ansatz geht sogar darüber hinaus: Auch in Systemen mit mehr als zwei Teilchen - etwa in quantenvernetzten Netzwerken - könnte eine derartige Batterie helfen, Zustände effizient zu steuern.

Die Grundidee lässt sich auch auf andere Bereiche der Quantenphysik übertragen: Statt Verschränkung könnten auch andere "Quantenressourcen" zwischengespeichert werden - etwa Eigenschaften, die für besonders geordnete Zustände sorgen oder die Arbeit in Quantenmaschinen antreiben. So wie eine Batterie nicht nur Lampen, sondern auch Motoren oder Sensoren versorgen kann, könnte man künftig gezielt solche Quanteneigenschaften speichern und rückholbar machen. Das Team schlägt dafür ein allgemeines Regelwerk vor - eine Art zweiten Hauptsatz für verschiedene Quantenressourcen.


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