麥克斯韋妖式量子算法冷卻

研究背景

現代低溫物理學的發展主要得益於有效冷卻方法的發展，尤其是雷射冷卻技術的發展使人類可以達到十億分之一度的極低溫（nK），從而可以研究一些奇特的量子物理現象，如玻色-愛因斯坦凝聚等。在這種極低溫下，熱運動帶來的消相干極小，系統能夠處於量子狀態，然而要實現量子計算、量子模擬等量子信息過程，通常需要系統初始時處於能量最低的量子態，即基態，這就需要量子冷卻。
一般說來，量子冷卻的研究目標就是要降低量子態的平均能量，直至系統處於基態。研究組的理論合作者提出了一種量子冷卻的新方法，通過引入一個輔助量子比特，實現與待冷卻系統的控制耦合。通過對輔助量子比特的測量，實現待冷卻系統高能量部分和低能量部分的區分。將高能量部分剔除後就可以實現系統的量子冷卻，這就像一隻量子的麥克斯韋妖可以輕而易舉地除去量子態中能量高的部分，因此這種方法被稱為麥克斯韋妖式量子算法冷卻。

研究方法

李傳鋒教授研究組與其合作者利用偏振依賴的干涉裝置搭建成冷卻模組，其中入射光子的路徑信息作為輔助量子比特，而光子的偏振信息模擬待冷卻系統，最後通過對路徑信息的探測後選擇即可降低光子偏振態的平均能量。研究組還利用光纖將不同的冷卻模組連線起來從而形成了一個光學冷卻網路，通過多次調用冷卻模組來實現量子系統的逐步冷卻。研究組在實驗上實現並比較了蒸發冷卻和循環冷卻兩種不同的量子冷卻策略，實驗結果和理論預言吻合的非常好，保真度達到97.8%以上。

研究成果

本成果提供一種新的途徑用以量子模擬經典方法難以實現的物理系統和化學系統的低溫性質。另一方面，由於平均能量接近基態能量的量子態與真實基態有很高的重合度，並可通過量子算法估計的方法以很高的機率來得到量子基態，因此這項工作還可以用來為普適的量子計算和量子模擬提供初始量子態資源。