與非線性光學(xué)前輩同行

作為非線性光學(xué)領(lǐng)的代表性研究科學(xué)家，Marandi經(jīng)常會(huì)以一個(gè)貼近生活的例子來簡述非線性光學(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，通過研究呼吸中的分子可以為人類健康監(jiān)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(gè)問題，激光光譜分析是一個(gè)很好的方法：研究人員通過光譜儀工具可以觀察到光束穿過物質(zhì)時(shí)吸收了哪些頻率的光，然后尋找出該光譜所對應(yīng)的化合物，進(jìn)而了解人體健康狀態(tài)【2】。

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

激光作為非線性光學(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)生有限波長范圍內(nèi)的光。這正是無數(shù)研究人員們在非線性光學(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)研究內(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)家們一起在非線性光學(xué)領(lǐng)域開展了大量研究工作。

這段時(shí)光對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，與非線性光學(xué)泰斗Steve Harris、Martin Fejer以及光量子領(lǐng)域的開創(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)是非線性光子學(xué)的基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展，通過探索超快光學(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)建簡并光學(xué)參量振蕩器（DOPO），并且通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于簡并光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生次諧波的方法具有設(shè)置簡單、低功率要求、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢。

在實(shí)驗(yàn)研究中，Marandi指出，簡并參量震蕩器產(chǎn)生次振波的過程中發(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）和訪問研究員 Alireza Marandi（右）（圖片來源：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為簡并光學(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，通過延長反饋回路、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開展的聯(lián)合項(xiàng)目“開發(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)對多體系統(tǒng)進(jìn)行有效的量子模擬”。同年，憑借“對非線性光子學(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性光學(xué)諧振器，近年來，Marandi帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開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，為片上少周期非線性光學(xué)、中紅外光子學(xué)和量子光子學(xué)開辟了新的可能性【8】。

與此同時(shí)，Marandi團(tuán)隊(duì)還通過構(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