中美科学家联手捉住“量子小妖”

图片展示了麦克斯韦妖式的量子算法冷却过程，量子小妖可以判断粒子是处于基态（冷）还是处于激发态（热），它会把热的粒子扔出门外，而把冷的粒子挡住，最后就只留下冷的粒子了。李传锋研究组供图

普通计算机开机，需要将系统初始化，未来拥有超强运算能力的量子计算机，也需要将计算单元“量子比特”调整到能量最低的状态——“基态”的“初始化”过程。由于量子叠加原理，将各个量子比特统一调整到“基态”非常困难。中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组与哈佛大学、清华大学的理论组合作，提出并实现了麦克斯韦妖式量子算法冷却，为破解这个难题提供了一种很有潜力的手段。

按照热力学基本定律，温度均匀的封闭区域，不可能自动分隔成温度高和温度低两部分。19世纪物理学家麦克斯韦提出假想，在黑箱中放入一块隔板，隔板上开个小门，有只“小妖”看守这小门，让冷分子走到门一侧，而热分子走到门另外一侧，最后，在“小妖”的“调控”下，门一侧都是冷分子，另一侧都是热分子。这就是著名的“麦克斯韦妖”现象。

对量子系统而言，即使处于接近绝对零度，仍然具有各种能级状态，有处于“激发态”的“热”量子，也有处于“基态”的“冷”量子，各种状态会混杂在一起。而量子计算机初始化，只需要“基态”的“冷”量子。中国科大的国际合作团队在实验上利用光学干涉装置搭建成冷却模块，并连接成冷却网络，通过多次调用冷却模块实现量子系统的逐步冷却。实验结果和理论预言吻合得非常好，保真度达到97.8%以上。其中的冷却模块就像个“量子小妖”。在线发表这项成果的《自然·光子学》杂志审稿人做出高度评价，认为“他们做出一种很新颖的算法，像麦克斯韦妖一样实现了冷却”。

据悉，国际上也有其他科学家研究量子计算机“初始化”办法，但是这些算法都有各自侧重的应用范围，而此次验证的麦克斯韦妖式新算法具有很好的普适应用前景。

（原载于《光明日报》2014-01-24 06版）