圖片展示了麥克斯韋妖式的量子算法冷卻過程，量子小妖可以判斷粒子是處于基態（冷）還是處于激發態（熱），它會把熱的粒子扔出門外，而把冷的粒子擋住，最后就只留下冷的粒子了。李傳鋒研究組供圖

普通計算機開機，需要將系統初始化，未來擁有超強運算能力的量子計算機，也需要將計算單元“量子比特”調整到能量最低的狀態——“基態”的“初始化”過程。由于量子疊加原理，將各個量子比特統一調整到“基態”非常困難。中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室李傳鋒研究組與哈佛大學、清華大學的理論組合作，提出并實現了麥克斯韋妖式量子算法冷卻，為破解這個難題提供了一種很有潛力的手段。

按照熱力學基本定律，溫度均勻的封閉區域，不可能自動分隔成溫度高和溫度低兩部分。19世紀物理學家麥克斯韋提出假想，在黑箱中放入一塊隔板，隔板上開個小門，有只“小妖”看守這小門，讓冷分子走到門一側，而熱分子走到門另外一側，最后，在“小妖”的“調控”下，門一側都是冷分子，另一側都是熱分子。這就是著名的“麥克斯韋妖”現象。

對量子系統而言，即使處于接近絕對零度，仍然具有各種能級狀態，有處于“激發態”的“熱”量子，也有處于“基態”的“冷”量子，各種狀態會混雜在一起。而量子計算機初始化，只需要“基態”的“冷”量子。中國科大的國際合作團隊在實驗上利用光學干涉裝置搭建成冷卻模塊，并連接成冷卻網絡，通過多次調用冷卻模塊實現量子系統的逐步冷卻。實驗結果和理論預言吻合得非常好，保真度達到97.8%以上。其中的冷卻模塊就像個“量子小妖”。在線發表這項成果的《自然·光子學》雜志審稿人做出高度評價，認為“他們做出一種很新穎的算法，像麥克斯韋妖一樣實現了冷卻”。

據悉，國際上也有其他科學家研究量子計算機“初始化”辦法，但是這些算法都有各自側重的應用范圍，而此次驗證的麥克斯韋妖式新算法具有很好的普適應用前景。

（原載于《光明日報》2014-01-24 06版）