斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)教授、美國(guó)量子前沿科學(xué)家Benjamin Lev（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

量子系統(tǒng)中，沒(méi)有“聲音”意味著什么？

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“就像做湯沒(méi)有放鹽，量子‘湯’也就沒(méi)有了味道?！?/p>

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換句話來(lái)說(shuō)，在量子系統(tǒng)中，聲音/震動(dòng)是真實(shí)材料中的關(guān)鍵自由度之一。而將聲音帶入“寂靜”的量子實(shí)驗(yàn)中，正是斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)教授Benjamin Lev的最新創(chuàng)舉。

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Lev，美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)員，美國(guó)國(guó)防科學(xué)研究組（IDA & DARPA）成員，斯坦福大學(xué)Benjamin實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)頭人，量子前沿科學(xué)家。并已獲得了由美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬頒發(fā)的總統(tǒng)科學(xué)家和工程師早期職業(yè)獎(jiǎng) (PECASE)。

從凝態(tài)物理到量子計(jì)算

“在選擇主攻研究方向的時(shí)候，我從來(lái)沒(méi)有考慮過(guò)量子領(lǐng)域，而是想加入到一個(gè)凝態(tài)物理研究小組。”

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這要從1999年一場(chǎng)“偶遇”說(shuō)起。這一年，Lev從普林斯頓大學(xué)本科畢業(yè)準(zhǔn)備在加州理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位，盡管出身物理學(xué)專業(yè)，但這時(shí)的他對(duì)量子領(lǐng)域并未有太多了解。一個(gè)年輕且充滿干勁的量子研究者改變了他的研究生涯。

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在前往加州理工大學(xué)拜訪量子信息科學(xué)家H. Jeff. Kimble教授時(shí)，Lev偶遇到了Kimble教授的學(xué)生、剛擔(dān)任加州理工大學(xué)助理教授不久的Hideo Mabuchi。就在加州理工大學(xué)的員工俱樂(lè)部“雅典娜神廟”，就著啤酒，Lev聽(tīng)了Mabuchi一場(chǎng)激情演講：關(guān)于量子計(jì)算、QED腔、量子光學(xué)和量子反饋控制領(lǐng)域正在醞釀的巨變。

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多年后，Lev仍能記得這一場(chǎng)景，“他的熱情讓我急切地想要了解更多。后來(lái)我們又見(jiàn)過(guò)幾次面，他卓越的教學(xué)能力和新鮮的想法令人神往，獨(dú)特且令人興奮?！?/p>

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（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

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盡管當(dāng)時(shí)Mabuchi還是一位新教授，他的實(shí)驗(yàn)室才剛開(kāi)始建設(shè)，Lev依然在當(dāng)年仲夏時(shí)節(jié)正式進(jìn)入Mabuchi實(shí)驗(yàn)室，成為實(shí)驗(yàn)室的第一位研究生。從為實(shí)驗(yàn)室搬桌子、添置電腦、上螺絲開(kāi)始，Lev著手開(kāi)展第一個(gè)實(shí)驗(yàn)：采用磁光阱技術(shù)操縱冷原子，目的是開(kāi)發(fā)出一種腔QED（腔量子電動(dòng)力學(xué)）設(shè)備用于量子通信。這也奠定了Lev的主要研究方向。

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在其博士論文中【1】，Lev詳細(xì)解釋了他在Mabuchi實(shí)驗(yàn)室六年時(shí)間里的工作和成果。同時(shí)，通過(guò)將原子芯片與光纖Fabry-Perot腔集成在一起構(gòu)成的腔QED，Lev展示了一個(gè)強(qiáng)大且可擴(kuò)展的原子腔芯片系統(tǒng)，為探索腔QED與一維量子氣體的強(qiáng)耦合機(jī)制提供了新方向。

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2005年，Lev在獲得博士學(xué)位后，進(jìn)入美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)擔(dān)任博士后研究員，2008年加入伊利諾伊州學(xué)院格蘭杰工程學(xué)院擔(dān)任助理教授。2011年，Lev進(jìn)入斯坦福大學(xué)擔(dān)任助理教授，專注于探索量子多體物理領(lǐng)域，包括量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，超冷原子物理、量子光學(xué)和凝態(tài)物理接口等。

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2011年，Lev帶領(lǐng)研究小組首次演示了通過(guò)磁光阱方式實(shí)現(xiàn)一維偶極量子氣體Dy原子。在磁光阱（MOT）中，Lev團(tuán)隊(duì)利用金屬Dy創(chuàng)造了世界上第一個(gè)偶極量子費(fèi)米子氣體——“一種全新的量子物質(zhì)形式”，同時(shí)，通過(guò)結(jié)合使用塞曼減速、激光冷卻和強(qiáng)磁場(chǎng)梯度，在穩(wěn)定的MOT中創(chuàng)建并保持了大約500萬(wàn)個(gè)Dy原子的集合。

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該研究成果登上國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》（科學(xué)）?；谠撗芯浚琇ev的團(tuán)隊(duì)們還對(duì)強(qiáng)相互作用量子一維系統(tǒng)中量子可積性的破壞和熱化現(xiàn)象進(jìn)行了系列研究，并演示出量子系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的過(guò)程。

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正因?yàn)榈种啤盁峄笔莿?chuàng)建穩(wěn)定量子系統(tǒng)的關(guān)鍵，Lev的實(shí)驗(yàn)工作對(duì)進(jìn)一步探索量子多體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱平衡具有重要意義。并且自此，關(guān)于最具磁性的鏑原子的研究成果也開(kāi)始如雨后春筍。

量子計(jì)算的“聲音”

與此同時(shí)，Lev對(duì)“聲音”的研究也開(kāi)始進(jìn)行。

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正如前文所講，經(jīng)過(guò)十年的工程和基準(zhǔn)測(cè)試，2021年，Lev和賓夕法尼亞州立大學(xué)和圣安德魯斯大學(xué)的合作者們共同制造出了第一個(gè)包含“聲音”的原子光學(xué)晶格【2】。

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光學(xué)晶格是指，將冷原子裝載于多束激光相互干涉形成的周期性網(wǎng)狀勢(shì)阱，形成冷原子的空間周期性排列，類似于固體物理中的“晶體結(jié)構(gòu)”。該研究最早可追溯至1968年Letokhov提出采用駐波場(chǎng)囚禁冷原子的物理思想。

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目前，光學(xué)晶格已被廣泛應(yīng)用于磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)及量子學(xué)等領(lǐng)域，以研究具有重復(fù)幾何形狀的固體和其他物質(zhì)相的基本特征。盡管如此，傳統(tǒng)的光學(xué)晶格中卻是“無(wú)聲”的。

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“這是因?yàn)椋瑔文９鈱W(xué)腔產(chǎn)生的光學(xué)晶格具有固定的剛性結(jié)構(gòu)，晶格節(jié)點(diǎn)之間的間距不能彎曲或震動(dòng)?！?/strong>但量子化的聲波（聲子）控制著晶體材料的彈性響應(yīng)，并且在確定其熱力學(xué)性質(zhì)和電響應(yīng)中也發(fā)揮著不可或缺的作用。所以，以往光學(xué)晶體的光學(xué)晶格實(shí)現(xiàn)缺乏了一些決定真實(shí)材料低溫特性的中心動(dòng)力學(xué)自由度。

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產(chǎn)生第一個(gè)帶有聲音的光學(xué)晶格的系統(tǒng)的插圖。光通過(guò)三個(gè)來(lái)源（包括通過(guò)數(shù)字鏡設(shè)備）被泵入，并產(chǎn)生可以振動(dòng)的原子超固體（橙色）。（圖片來(lái)源：Lev實(shí)驗(yàn)室）

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為了彌補(bǔ)這一限制，lev團(tuán)隊(duì)使用耦合到多模共焦光學(xué)諧振器的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體（BEC）創(chuàng)建了具有聲子模式的光學(xué)晶格設(shè)備。將100,000個(gè)超冷銣原子限制在一個(gè)多模腔內(nèi)，在沒(méi)有助力的情況下它們以漩渦形式流動(dòng)，而當(dāng)暴露在光線下時(shí)，兩個(gè)高反射率的凹面鏡使光子來(lái)回反彈形成縱橫交錯(cuò)的激光束網(wǎng)格，迫使原子以類似于晶體的有序方式排列，形成一種罕見(jiàn)的超固體物質(zhì)相。

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“如果將耳朵放在光學(xué)晶格上，你就會(huì)聽(tīng)到他們?cè)谶M(jìn)行1kHz左右的震動(dòng)聲音?！边@一新研究成果為研究人員們?cè)诹孔幽M固態(tài)材料中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象開(kāi)辟了新途徑。而基于該研究成果，Lev團(tuán)的下一步研究方向除了探索奇異超導(dǎo)體物理學(xué)外，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也成為其主要研究領(lǐng)域。

伊辛自旋玻璃態(tài)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

隨著在離子阱、光學(xué)晶格和光學(xué)參量振蕩器領(lǐng)域的研究深入，Lev研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始利用光子—原子的相互作用制造自旋玻璃態(tài)，以實(shí)現(xiàn)量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的制備。截止目前，Lev帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在該研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破性成果。

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具有由光學(xué)鑷子限制的原子自旋系綜的共焦腔 QED 系統(tǒng)的示意圖（圖片來(lái)源：Lev實(shí)驗(yàn)室）

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眾所周知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了一種分布式計(jì)算架構(gòu)，其連通性不是被編程為操作序列，而是將要解決的問(wèn)題編碼為代價(jià)函數(shù)，通過(guò)單個(gè)元素的非線性動(dòng)態(tài)演化最小化這個(gè)代價(jià)函數(shù)，得到最終的穩(wěn)態(tài)構(gòu)型。而伊辛自旋玻璃態(tài)可用于描述NP-hard問(wèn)題，對(duì)其自旋連通性編碼將能夠解決廣泛的組合優(yōu)化問(wèn)題，正因此，Lev團(tuán)隊(duì)選擇了基于伊辛自旋玻璃態(tài)探索實(shí)現(xiàn)量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

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Lev團(tuán)隊(duì)指出【3】，從硬件的角度來(lái)看，大多數(shù)現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是在基于電子馮·諾依曼架構(gòu)的半導(dǎo)體器件中實(shí)現(xiàn)的，并且利用經(jīng)典的、基于光學(xué)的自旋特性，硅光子集成電路和其他耦合經(jīng)典振蕩器系統(tǒng)等研究方向也取得了眾多成果。但現(xiàn)在，使用光耦合的原子自旋方法正在展示出更多優(yōu)勢(shì)。

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“我們嘗試通過(guò)將超冷原子限制在多模腔內(nèi)進(jìn)行光子強(qiáng)耦合以實(shí)現(xiàn)伊辛自旋玻璃態(tài)和量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。在這個(gè)過(guò)程中，具有不相稱的空間分布的不同光子模式的疊加產(chǎn)生了符號(hào)變化和非局部相互作用。其中，空腔模式充當(dāng)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的突觸連接，以調(diào)解原子自旋之間的伊辛耦合。”

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這種基于離散系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其相比于傳統(tǒng)Hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在內(nèi)存容量和魯棒性的標(biāo)準(zhǔn)得到了增強(qiáng)，并已成為一種新的范式實(shí)現(xiàn)了在空腔QED系統(tǒng)中對(duì)關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器進(jìn)行編程。

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在持續(xù)探索量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展中，Lev還加入到斯坦福大學(xué)與NTT Research的聯(lián)合項(xiàng)目中，致力于開(kāi)發(fā)出用于研究量子到經(jīng)典交叉物理和量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵現(xiàn)象的新型光學(xué)和超導(dǎo)設(shè)備。

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參考：

【1】Benjamin L. Lev,“Magnetic Microtraps for Cavity QED, Bose-Einstein Condensates, and Atom Optics，”(2005).

【2】Yudan Guo?et al.,?“An optical lattice with sound”,Nature,10(2021).

【3】Brendan P Marshet al.,"Enhancing associative memory recall and storage capacity using confocal cavity QED",Physical Review X,11(2021).

編譯：王衍/李每編輯：王衍

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