中美科學(xué)家聯(lián)手捉住“量子小妖”
來(lái)源：《光明日?qǐng)?bào)》1-24 李陳續(xù)
普通計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)，需要將系統(tǒng)初始化，未來(lái)?yè)碛谐瑥?qiáng)運(yùn)算能力的量子計(jì)算機(jī)，也需要將計(jì)算單元“量子比特”調(diào)整到能量最低的狀態(tài)——“基態(tài)”的“初始化”過(guò)程。由于量子疊加原理，將各個(gè)量子比特統(tǒng)一調(diào)整到“基態(tài)”非常困難。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組與哈佛大學(xué)、清華大學(xué)的理論組合作，提出并實(shí)現(xiàn)了麥克斯韋妖式量子算法冷卻，為破解這個(gè)難題提供了一種很有潛力的手段。
按照熱力學(xué)基本定律，溫度均勻的封閉區(qū)域，不可能自動(dòng)分隔成溫度高和溫度低兩部分。19世紀(jì)物理學(xué)家麥克斯韋提出假想，在黑箱中放入一塊隔板，隔板上開(kāi)個(gè)小門(mén)，有只“小妖”看守這小門(mén)，讓冷分子走到門(mén)一側(cè)，而熱分子走到門(mén)另外一側(cè)，最后，在“小妖”的“調(diào)控”下，門(mén)一側(cè)都是冷分子，另一側(cè)都是熱分子。這就是著名的“麥克斯韋妖”現(xiàn)象。
對(duì)量子系統(tǒng)而言，即使處于接近絕對(duì)零度，仍然具有各種能級(jí)狀態(tài)，有處于“激發(fā)態(tài)”的“熱”量子，也有處于“基態(tài)”的“冷”量子，各種狀態(tài)會(huì)混雜在一起。而量子計(jì)算機(jī)初始化，只需要“基態(tài)”的“冷”量子。中國(guó)科大的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上利用光學(xué)干涉裝置搭建成冷卻模塊，并連接成冷卻網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多次調(diào)用冷卻模塊實(shí)現(xiàn)量子系統(tǒng)的逐步冷卻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)言吻合得非常好，保真度達(dá)到97.8%以上。其中的冷卻模塊就像個(gè)“量子小妖”。在線(xiàn)發(fā)表這項(xiàng)成果的《自然•光子學(xué)》雜志審稿人做出高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“他們做出一種很新穎的算法，像麥克斯韋妖一樣實(shí)現(xiàn)了冷卻”。
據(jù)悉，國(guó)際上也有其他科學(xué)家研究量子計(jì)算機(jī)“初始化”辦法，但是這些算法都有各自側(cè)重的應(yīng)用范圍，而此次驗(yàn)證的麥克斯韋妖式新算法具有很好的普適應(yīng)用前景。
