中國科學技術(shù)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教授研究組在量子冷卻的研究中取得重要進展。研究組與哈佛大學和清華大學的理論組合作提出了一種新型的麥克斯韋妖式的量子算法冷卻，并在光學系統(tǒng)中利用量子模擬技術(shù)實驗演示了這種量子冷卻方法的工作原理。這項研究成果1月19日在線發(fā)表在《自然—光子學》雜志上。

 

現(xiàn)代低溫物理學的發(fā)展主要得益于有效冷卻方法的發(fā)展，尤其是激光冷卻技術(shù)的發(fā)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(xiàn)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(tǒng)能夠處于量子狀態(tài)，然而要實現(xiàn)量子計算、量子模擬等量子信息過程，通常需要系統(tǒng)初始時處于能量最低的量子態(tài)，即基態(tài)，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(tài)的平均能量，直至系統(tǒng)處于基態(tài)。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(xiàn)與待冷卻系統(tǒng)的控制耦合。通過對輔助量子比特的測量，實現(xiàn)待冷卻系統(tǒng)高能量部分和低能量部分的區(qū)分。將高能量部分剔除后就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的量子冷卻，這就像一只量子的麥克斯韋妖可以輕而易舉地除去量子態(tài)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。

 

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塊，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(tǒng)，最后通過對路徑信息的探測后選擇即可降低光子偏振態(tài)的平均能量。研究組還利用光纖將不同的冷卻模塊連接起來從而形成了一個光學冷卻網(wǎng)絡，通過多次調(diào)用冷卻模塊來實現(xiàn)量子系統(tǒng)的逐步冷卻。研究組在實驗上實現(xiàn)并比較了蒸發(fā)冷卻和循環(huán)冷卻兩種不同的量子冷卻策略，實驗結(jié)果和理論預言吻合的非常好，保真度達到97.8%以上。

 

本成果提供一種新的途徑用以量子模擬經(jīng)典方法難以實現(xiàn)的物理系統(tǒng)和化學系統(tǒng)的低溫性質(zhì)。另一方面，由于平均能量接近基態(tài)能量的量子態(tài)與真實基態(tài)有很高的重合度，并可通過量子算法估計的方法以很高的概率來得到量子基態(tài)，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(tài)資源。

 

這項工作得到科技部、國家基金委和中科院的支持。（來源：中科院量子信息重點實驗室）