加州理工學(xué)院電氣工程教授Alireza Marandi

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

Alireza Marandi，加州理工學(xué)院電氣工程教授，光量子技術(shù)領(lǐng)域的前沿科學(xué)家。

激光照亮“新可能性”

2006年，Marandi從德黑蘭大學(xué)畢業(yè)，并于2008年在維多利亞大學(xué)獲得碩士學(xué)位。2013年，Marandi獲得斯坦福大學(xué)博士學(xué)位后，在斯坦福大學(xué)擔(dān)任博士后學(xué)者和研究工程師，在此期間，他還前往日本國(guó)立信息研究所擔(dān)任訪問(wèn)科學(xué)家、美國(guó)杜比實(shí)驗(yàn)室高級(jí)技術(shù)組擔(dān)任高級(jí)工程師。

2017年以來(lái)，Marandi進(jìn)入加州理工大學(xué)開(kāi)展教學(xué)與科研工作。作為美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）高級(jí)成員和IEEE（電氣電子工程師學(xué)會(huì)）的資深成員，Marandi已獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）職業(yè)獎(jiǎng)、AFOSR YIP獎(jiǎng)（美國(guó)科學(xué)研究辦公室獎(jiǎng)）和KNI-Wheatley獎(jiǎng)學(xué)金。

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談及與光學(xué)和量子物理結(jié)緣，Marandi表示他是受到一部與激光有關(guān)的科幻電影的啟發(fā)。“它讓我對(duì)了解什么是激光以及其與其它光源有何不同產(chǎn)生了興趣【1】。”

在這種興趣的驅(qū)使下，Marandi在上小學(xué)時(shí)為此買(mǎi)了一本關(guān)于激光的教科書(shū)學(xué)習(xí)，并因此遭受了周?chē)摹爱悩友酃狻?。不過(guò)對(duì)于Marandi來(lái)說(shuō)，雖然并不能夠理解書(shū)中的任何內(nèi)容，但它卻讓年少的他對(duì)激光以及激光背后的物理學(xué)世界充滿(mǎn)了想象。

進(jìn)入高中后， Marandi首次接觸到激光二極管，并由此打開(kāi)了新世界的大門(mén)：“我嘗試了自己建立最簡(jiǎn)單的光通信鏈路，這是我第一次正式地完成光子實(shí)驗(yàn)。”據(jù)Marandi講述， 隨著對(duì)“建造”的熱愛(ài)愈發(fā)強(qiáng)烈，在整個(gè)高中生涯中他制作了大量的電子產(chǎn)品。

接著，在德黑蘭大學(xué)攻讀電氣工程專(zhuān)業(yè)時(shí)，Marandi迷上人工智能算法，并在此后很長(zhǎng)的時(shí)間里，致力于將人工智能引入電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建造和測(cè)試。這也為其在人工智能和電磁領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。直到進(jìn)入斯坦福大學(xué)攻讀博士學(xué)位后，Marandi確定了自己的研究目標(biāo)：使用光子結(jié)構(gòu)來(lái)解決人工智能問(wèn)題。

Marandi認(rèn)為，“光學(xué)最吸引人的因素之一是，于科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)之間可找到平衡點(diǎn)?！?/p>

與非線(xiàn)性光學(xué)前輩同行

作為非線(xiàn)性光學(xué)領(lǐng)的代表性研究科學(xué)家，Marandi經(jīng)常會(huì)以一個(gè)貼近生活的例子來(lái)簡(jiǎn)述非線(xiàn)性光學(xué)的價(jià)值：呼吸分子分析。

在我們呼吸時(shí)，一些與血液成分聯(lián)系密切的分子會(huì)流出，通過(guò)研究呼吸中的分子可以為人類(lèi)健康監(jiān)測(cè)提供支撐。但是呼吸中的分子濃度較低從而難捕捉到，要克服這個(gè)問(wèn)題，激光光譜分析是一個(gè)很好的方法：研究人員通過(guò)光譜儀工具可以觀察到光束穿過(guò)物質(zhì)時(shí)吸收了哪些頻率的光，然后尋找出該光譜所對(duì)應(yīng)的化合物，進(jìn)而了解人體健康狀態(tài)【2】。

Alireza Marandi（左）（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

激光作為非線(xiàn)性光學(xué)誕生的標(biāo)志之一，在切割、焊接、手術(shù)以及光纖傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用中發(fā)揮著非常重要的作用。但激光也有一些限制——只能產(chǎn)生有限波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。這正是無(wú)數(shù)研究人員們?cè)诜蔷€(xiàn)性光學(xué)領(lǐng)域中探索研究的方向。而突破這一障礙，也是Marandi的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

在斯坦福大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)，Marandi師從激光技術(shù)領(lǐng)域最權(quán)威的泰斗之一、美國(guó)著名物理學(xué)家Robert Byer（羅伯特·拜爾），并且與領(lǐng)域中的眾多優(yōu)秀科學(xué)家們一起在非線(xiàn)性光學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作。

這段時(shí)光對(duì)Marandi的研究生涯產(chǎn)生了重要影響。在博士學(xué)習(xí)期間，他加入到Byer-Fejer小組，與非線(xiàn)性光學(xué)泰斗Steve Harris、Martin Fejer以及光量子領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性領(lǐng)導(dǎo)者之一Yoshihisa Yamamoto教授進(jìn)行了大量且深入的技術(shù)討論。同時(shí)，Marandi還參與到美國(guó)高級(jí)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）項(xiàng)目中，跟隨LIGO項(xiàng)目地震隔離系統(tǒng)首席科學(xué)家、工作組組長(zhǎng)Brian Lantz學(xué)習(xí)。并在著名物理學(xué)家、光學(xué)科學(xué)家Konstantin Vodopyanov的指導(dǎo)下，完成了博士論文。

目前，Marandi教授的研究重點(diǎn)是非線(xiàn)性光子學(xué)的基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展，通過(guò)探索超快光學(xué)、光學(xué)頻率梳、量子光學(xué)、光學(xué)信息處理、中紅外光子學(xué)和激光光譜學(xué)的前沿，并帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)從傳感到非經(jīng)典計(jì)算和信息處理等應(yīng)用的新型非線(xiàn)性光子器件和系統(tǒng)，推進(jìn)理論的發(fā)展。

從伊辛機(jī)到量子光子學(xué)

在量子技術(shù)領(lǐng)域，Marandi的主要研究方向是“基于簡(jiǎn)并光學(xué)參量震蕩器使用光量子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算”。從他的博士論文中，我們可以尋找到其開(kāi)展此方向研究的初衷。

在Marandi的博士論文《Sub-harmonic generation of frequency combs for spectroscopy and quantum optics》（用于光譜學(xué)和量子光學(xué)的頻率梳的次諧波生成）中，他介紹了一種通過(guò)從商用近紅外源中生成次諧波用以產(chǎn)生帶寬中紅外頻率梳的新方法——構(gòu)建簡(jiǎn)并光學(xué)參量振蕩器（DOPO），并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于簡(jiǎn)并光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生次諧波的方法具有設(shè)置簡(jiǎn)單、低功率要求、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)驗(yàn)研究中，Marandi指出，簡(jiǎn)并參量震蕩器產(chǎn)生次振波的過(guò)程中發(fā)生了有趣的量子行為，而這為頻率梳狀態(tài)下的光量子實(shí)驗(yàn)提供了重要支撐。正是基于這一發(fā)現(xiàn)，Marandi開(kāi)始在光學(xué)參量振蕩器以及光量子技術(shù)領(lǐng)域做了大量的工作。

Peter McMahon（左）和訪問(wèn)研究員 Alireza Marandi（右）（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

斯坦福大學(xué)是相干伊辛機(jī)學(xué)派的誕生地，2011年斯坦福大學(xué)Yamamoto教授首次提出了相干伊辛機(jī)的概念，成為該學(xué)派的開(kāi)創(chuàng)者。2013年，Marandi獲得博士學(xué)位后，選擇加入斯坦福Yamamoto教授研究組，跟隨Yamamoto教授在該領(lǐng)域深入探索。

正是在這樣的學(xué)術(shù)淵源下，Marandi參與并見(jiàn)證了相干伊辛機(jī)光學(xué)計(jì)算逐漸走向成熟。

2013年，Marandi與王哲、文凱、Robert Byer等人提出了使用一種稱(chēng)為簡(jiǎn)并光學(xué)參量振蕩器（DOPO）的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建相干伊辛機(jī)，并使用非線(xiàn)性光學(xué)晶體。由此，相干伊辛機(jī)這種量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展階段【3】。

2014年，Marandi與Rober Byer、Yamamoto教授等在實(shí)驗(yàn)中首次展示了具有光耦合的時(shí)分復(fù)用OPO【4】；2016年，Marandi與研究團(tuán)隊(duì)展示了新一代相干伊辛機(jī)，并展示了其解決100個(gè)變量問(wèn)題的能力，從而驗(yàn)證了相干伊辛機(jī)的可擴(kuò)展性【5】；2018年，Marandi團(tuán)隊(duì)再次證明，通過(guò)延長(zhǎng)反饋回路、降低光學(xué)棱鏡反射率，可以產(chǎn)生更小、成本更低和更高效的光脈沖源進(jìn)而提升相干伊辛機(jī)的闊擴(kuò)展性【6】。

2019年，Marandi負(fù)責(zé)加州理工學(xué)院與NTT Research開(kāi)展的聯(lián)合項(xiàng)目“開(kāi)發(fā)一個(gè)可擴(kuò)展的架構(gòu)，用于使用光學(xué)參量振蕩器 (OPO) 網(wǎng)絡(luò)對(duì)多體系統(tǒng)進(jìn)行有效的量子模擬”。同年，憑借“對(duì)非線(xiàn)性光子學(xué)的貢獻(xiàn)，特別其是在OPO計(jì)算和光學(xué)伊辛機(jī)演示以及中紅外頻率梳的半諧波生成方面的開(kāi)創(chuàng)性工作”，Marandi獲得了由激光物理與光子學(xué)學(xué)會(huì)（IUPAP）頒發(fā)的青年科學(xué)家獎(jiǎng)（應(yīng)用方面）。

為了能夠充分利用非線(xiàn)性光學(xué)諧振器，近年來(lái)，Marandi帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始探索其底層物理原理認(rèn)知。在這項(xiàng)工作中，基于鈮酸鋰構(gòu)建光學(xué)諧振器成為Marandi團(tuán)隊(duì)的主要研究方向之一。

2022年3月，Marandi團(tuán)隊(duì)在《Science》（科學(xué)）雜志上公布了最新研究成果：在高達(dá)3.25 μm的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)調(diào)諧的片上雙諧振OPO，這個(gè)范圍足以覆蓋幾個(gè)重要分子（NH3、CO2和CH4等）的吸收區(qū)域。此外，該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了一種新雙諧振OPO設(shè)計(jì)方法，可避免三諧振配置和線(xiàn)性腔振蕩器中存在的眾多挑戰(zhàn)【7】。該團(tuán)隊(duì)還將準(zhǔn)相位匹配與納米光子鈮酸鋰波導(dǎo)中的色散工程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)烈的光參量放大，為片上少周期非線(xiàn)性光學(xué)、中紅外光子學(xué)和量子光子學(xué)開(kāi)辟了新的可能性【8】。

與此同時(shí)，Marandi團(tuán)隊(duì)還通過(guò)構(gòu)建高度可擴(kuò)展且易于重置的時(shí)間復(fù)用的光學(xué)諧振器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)證明了一維和二維晶格具有隔離耗散率的穩(wěn)健拓?fù)溥吘墵顟B(tài)【9】。

Marandi 表示：“拓?fù)浜纳⒌母拍顚⒊蔀楣饬孔酉到y(tǒng)的另一種資源。我們的新研究將為設(shè)計(jì)耗散系統(tǒng)提供了一種新方法，可用于設(shè)計(jì)量子存儲(chǔ)器、光子傳感器和拓?fù)浞糯笃鞯仍O(shè)備。”

作為一名青年量子前沿科學(xué)家，Marandi正在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在光量子計(jì)算領(lǐng)域開(kāi)拓出更多研究成果。

參考：

【1】https://www.caltech.edu/about/news/illuminating-new-possibilities-interview-alireza-marandi-84048

【2】https://news.stanford.edu/2018/02/02/new-source-found-ultrashort-bursts-light/

【3】Zhe Wang, Kai Wei, et al., “A coherent Ising machine based on degenerate optical parametric oscillators,” Phys. Rev. A 88 (2013)

【4】Network of time-multiplexed optical parametric oscillators as a coherent Ising machine

【5】Peter L. McMahon , et al., “A fully-programmable 100-spin coherent Ising machine with all-to-all connections,” Science 20 Oct (2016)

【6】Takahiro Inagaki, et al., “A coherent Ising machine for 2000-node optimization problems,” Science 04 Nov (2016)

【7】Luis Ledezma, et al., ”Widely-tunable optical parametric oscillator in lithium niobate nanophotonics”Science 03 Mar (2022)

【8】Luis Ledezma, et al., “Intense optical parametric amplification in dispersion engineered nanophotonic lithium niobate waveguides” Optica (2022 )

【9】Christian Leefmans, et al.,”Topological dissipation in a time-multiplexed photonic resonator network”Nature Physics (2022)

編譯：王衍/李每

編輯：王衍