量子前沿英雄譜｜光量子計算的“技術前鋒”：Alireza Marandi

加州理工學院電氣工程教授Alireza Marandi

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Alireza Marandi，加州理工學院電氣工程教授，光量子技術領域的前沿科學家。

鐳射照亮“新可能性”

2006年，Marandi從德黑蘭大學畢業，並於2008年在維多利亞大學獲得碩士學位。2013年，Marandi獲得斯坦福大學博士學位後，在斯坦福大學擔任博士後學者和研究工程師，在此期間，他還前往日本國立資訊研究所擔任訪問科學家、美國杜比實驗室高階技術組擔任高階工程師。

2017年以來，Marandi進入加州理工大學開展教學與科研工作。作為美國光學學會（OSA）高階成員和IEEE（電氣電子工程師學會）的資深成員，Marandi已獲得美國國家科學基金會（NSF）職業獎、AFOSR YIP獎（美國科學研究辦公室獎）和KNI-Wheatley獎學金。

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談及與光學和量子物理結緣，Marandi表示他是受到一部與鐳射有關的科幻電影的啟發。“它讓我對了解什麼是鐳射以及其與其它光源有何不同產生了興趣【1】。”

在這種興趣的驅使下，Marandi在上小學時為此買了一本關於鐳射的教科書學習，並因此遭受了周圍的“異樣眼光”。不過對於Marandi來說，雖然並不能夠理解書中的任何內容，但它卻讓年少的他對鐳射以及鐳射背後的物理學世界充滿了想象。

進入高中後， Marandi首次接觸到鐳射二極體，並由此打開了新世界的大門：“我嘗試了自己建立最簡單的光通訊鏈路，這是我第一次正式地完成光子實驗。”據Marandi講述， 隨著對“建造”的熱愛愈發強烈，在整個高中生涯中他製作了大量的電子產品。

接著，在德黑蘭大學攻讀電氣工程專業時，Marandi迷上人工智慧演算法，並在此後很長的時間裡，致力於將人工智慧引入電磁結構的設計、建造和測試。這也為其在人工智慧和電磁領域打下了堅實的基礎。直到進入斯坦福大學攻讀博士學位後，Marandi確定了自己的研究目標：使用光子結構來解決人工智慧問題。

Marandi認為，“光學最吸引人的因素之一是，於科學研究和工程設計與開發之間可找到平衡點。”

與非線性光學前輩同行

作為非線性光學領的代表性研究科學家，Marandi經常會以一個貼近生活的例子來簡述非線性光學的價值：呼吸分子分析。

在我們呼吸時，一些與血液成分聯絡密切的分子會流出，透過研究呼吸中的分子可以為人類健康監測提供支撐。但是呼吸中的分子濃度較低從而難捕捉到，要克服這個問題，鐳射光譜分析是一個很好的方法：研究人員透過光譜儀工具可以觀察到光束穿過物質時吸收了哪些頻率的光，然後尋找出該光譜所對應的化合物，進而瞭解人體健康狀態【2】。

Alireza Marandi（左）（圖片來源：網路）

鐳射作為非線性光學誕生的標誌之一，在切割、焊接、手術以及光纖傳輸等各種應用中發揮著非常重要的作用。但鐳射也有一些限制——只能產生有限波長範圍內的光。這正是無數研究人員們在非線性光學領域中探索研究的方向。而突破這一障礙，也是Marandi的重點研究內容之一。

在斯坦福大學攻讀博士學位時，Marandi師從鐳射技術領域最權威的泰斗之一、美國著名物理學家

Robert Byer（羅伯特·拜爾）

，並且與領域中的眾多優秀科學家們一起在非線性光學領域開展了大量研究工作。

這段時光對Marandi的研究生涯產生了重要影響。在博士學習期間，他加入到Byer-Fejer小組，與非線性光學泰斗Steve Harris、

Martin Fejer

以及光量子領域的開創性領導者之一

Yoshihisa Yamamoto教授

進行了大量且深入的技術討論。同時，Marandi還參與到美國高階鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）專案中，跟隨LIGO專案地震隔離系統首席科學家、工作組組長Brian Lantz學習。並在著名物理學家、光學科學家Konstantin Vodopyanov的指導下，完成了博士論文。

目前，Marandi教授的研究重點是非線性光子學的基礎技術發展，透過探索超快光學、光學頻率梳、量子光學、光學資訊處理、中紅外光子學和鐳射光譜學的前沿，並帶領實驗室團隊致力於開發從感測到非經典計算和資訊處理等應用的新型非線性光子器件和系統，推進理論的發展。

從伊辛機到量子光子學

在量子技術領域，Marandi的主要研究方向是“基於簡併光學參量震盪器使用光量子實現量子計算”。從他的博士論文中，我們可以尋找到其開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》（用於光譜學和量子光學的頻率梳的次諧波生成）中，他介紹了一種透過從商用近紅外源中生成次諧波用以產生頻寬中紅外頻率梳的新方法——構建簡併光學參量振盪器（DOPO），並且透過實驗結果證明，基於簡併光學參量振盪器產生次諧波的方法具有設定簡單、低功率要求、轉換效率高等優勢。

在實驗研究中，

Marandi指出，簡併參量震盪器產生次振波的過程中發生了有趣的量子行為，而這為頻率梳狀態下的光量子實驗提供了重要支撐。

正是基於這一發現，Marandi開始在光學參量振盪器以及光量子技術領域做了大量的工作。

Peter McMahon（左）和訪問研究員 Alireza Marandi（右）（圖片來源：網路）

斯坦福大學是相干伊辛機學派的誕生地，2011年斯坦福大學Yamamoto教授首次提出了相干伊辛機的概念，成為該學派的開創者。2013年，Marandi獲得博士學位後，選擇加入斯坦福Yamamoto教授研究組，跟隨Yamamoto教授在該領域深入探索。

正是在這樣的學術淵源下，Marandi參與並見證了相干伊辛機光學計算逐漸走向成熟。

2013年，Marandi與王哲、文凱、Robert Byer等人提出了使用一種稱為簡併光學參量振盪器（DOPO）的網路構建相干伊辛機，並使用非線性光學晶體。由此，相干伊辛機這種量子神經網路開始進入快速發展階段【3】。

2014年，Marandi與Rober Byer、Yamamoto教授等在實驗中首次展示了具有光耦合的時分複用OPO【4】；2016年，Marandi與研究團隊展示了新一代相干伊辛機，並展示了其解決100個變數問題的能力，從而驗證了相干伊辛機的可擴充套件性【5】；2018年，Marandi團隊再次證明，透過延長反饋迴路、降低光學稜鏡反射率，可以產生更小、成本更低和更高效的光脈衝源進而提升相干伊辛機的闊擴充套件性【6】。

2019年，Marandi負責加州理工學院與NTT Research開展的聯合專案“開發一個可擴充套件的架構，用於使用光學參量振盪器 （OPO） 網路對多體系統進行有效的量子模擬”。同年，憑藉“對非線性光子學的貢獻，特別其是在OPO計算和光學伊辛機演示以及中紅外頻率梳的半諧波生成方面的開創性工作”，Marandi獲得了由鐳射物理與光子學學會（IUPAP）頒發的青年科學家獎（應用方面）。

為了能夠充分利用非線性光學諧振器，近年來，Marandi帶領團隊開始探索其底層物理原理認知。

在這項工作中，基於鈮酸鋰構建光學諧振器成為Marandi團隊的主要研究方向之一。

2022年3月，Marandi團隊在《Science》（科學）雜誌上公佈了最新研究成果：在高達3。25 m的寬波長範圍內調諧的片上雙諧振OPO，這個範圍足以覆蓋幾個重要分子（NH3、CO2和CH4等）的吸收區域。此外，該團隊還透過實驗證明了一種新雙諧振OPO設計方法，可避免三諧振配置和線性腔振盪器中存在的眾多挑戰【7】。該團隊還將準相位匹配與奈米光子鈮酸鋰波導中的色散工程相結合，實現了強烈的光參量放大，為片上少週期非線性光學、中紅外光子學和量子光子學開闢了新的可能性【8】。

與此同時，Marandi團隊還透過構建高度可擴充套件且易於重置的時間複用的光學諧振器網路，實驗證明了一維和二維晶格具有隔離耗散率的穩健拓撲邊緣狀態【9】。

Marandi 表示：“拓撲耗散的概念將成為光量子系統的另一種資源。我們的新研究將為設計耗散系統提供了一種新方法，可用於設計量子儲存器、光子感測器和拓撲放大器等裝置。”

作為一名青年量子前沿科學家，Marandi正在帶領團隊在光量子計算領域開拓出更多研究成果。

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