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著名物理學(xué)家、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士和國(guó)家工程院院士 斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系教授Robert L. Byer

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

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激光在今天無(wú)處不在。沒(méi)有他們，現(xiàn)代社會(huì)就無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。

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激光使自動(dòng)駕駛汽車能夠感知周圍環(huán)境，并使外科醫(yī)生能夠矯正視力。典型的智能手機(jī)包含數(shù)百個(gè)微型激光器。全世界的數(shù)字和互聯(lián)網(wǎng)通信，需要將蜂窩和Wi-Fi信號(hào)轉(zhuǎn)換為激光脈沖，這些激光脈沖將通過(guò)光纖電纜被推送到遠(yuǎn)處的手機(jī)信號(hào)塔和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

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在激光技術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)著名物理學(xué)家Robert L. Byer（羅伯特·L·拜爾）是最權(quán)威的泰斗之一，他的職業(yè)生涯漫長(zhǎng)而輝煌。他曾擔(dān)任斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系教授、光子學(xué)研究中心聯(lián)合主任，也是美國(guó)國(guó)家工程院院士和美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、IEEE激光和光電學(xué)會(huì)主席、美國(guó)光子學(xué)學(xué)會(huì)主席、美國(guó)物理學(xué)會(huì)主席等要職。在近六十年的時(shí)光里，Robert L. Byer在非線性光學(xué)與激光領(lǐng)域做出了極其卓越與非凡的貢獻(xiàn)，大大推動(dòng)了激光器從空間科學(xué)到電子制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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與激光的“奇妙邂逅”

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Byer與激光結(jié)緣更像是一場(chǎng)“奇妙的邂逅”。

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故事起源于1964年，一家叫做Spectra Physics的公司。這個(gè)公司在當(dāng)時(shí)還僅是一家由12位同事組成的小團(tuán)隊(duì)?，F(xiàn)在它是聞名遐邇的全球第一家商業(yè)激光公司，我們每天在商店、超市里面看到的掃描條形碼結(jié)賬的紅色激光器，就是他們的產(chǎn)品。

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此時(shí)，22歲的Byer剛從加州大學(xué)伯利克利分校本科畢業(yè)，前往該公司面試。他走進(jìn)去發(fā)現(xiàn)一個(gè)空蕩蕩的大廳，但能聽(tīng)到大樓后面的掌聲和歡呼聲。禮貌地等了幾分鐘后，他跟著騷動(dòng)來(lái)到了一間黑暗的房間，里面擠滿了人，一根紅橙色的光柱似乎漂浮在一張擺滿儀器的桌子上方。

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Byer剛好趕上并親眼見(jiàn)證了該團(tuán)隊(duì)研制出其第一臺(tái)可見(jiàn)激光器的振奮人心時(shí)刻——“他們歡騰的臉龐被一根紅橙色的光柱照亮，它又弱又暗，卻又那么迷人?！本奂谝黄鸬奈锢韺W(xué)家和工程師們剛剛打開(kāi)了第一臺(tái)電離氣體激光器，沉浸在喜悅的光芒中。

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那迷人的光芒改變了Byer的人生軌跡。他拒絕了先前在故鄉(xiāng)南加州的帕薩迪納找到的工作，當(dāng)天接受了 Spectra Physics 的職位，成為這個(gè)公司第13號(hào)員工，從此走上了激光科學(xué)研究的道路。

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?Spectra-Physics 的公司的早期商用激光器，波長(zhǎng) 632.8 nm（紅色），重 10 磅，售價(jià) 1525 美元。（圖片來(lái)源：Spectra-Physics公司）

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一年以后，為了進(jìn)一步研究激光，Byer離開(kāi)公司去斯坦福大學(xué)讀研究生，師從Stephen Harris（斯蒂芬·哈里斯）教授，開(kāi)發(fā)不同顏色和特性的激光器。1967年，Byer和導(dǎo)師開(kāi)發(fā)出了第一個(gè)可見(jiàn)的、可調(diào)諧的紅色激光，即波長(zhǎng)可以控制的激光。隨后他通過(guò)將綠色激光引導(dǎo)通過(guò)非線性晶體，開(kāi)發(fā)了第一個(gè)可見(jiàn)的可調(diào)諧的紅色激光。這是激光光譜學(xué)的重要進(jìn)展之一，意味著激光將能夠服務(wù)于離子阱、原子鐘的、鈉導(dǎo)星探測(cè)等對(duì)波長(zhǎng)需要精確控制的應(yīng)用領(lǐng)域，Byer也由此成為激光器領(lǐng)域的關(guān)鍵奠基者之一。

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1969年，在獲得斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)博士學(xué)位后，他被聘任為斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系助理教授，并在斯坦福大學(xué)進(jìn)行激光和非線性光學(xué)研究并教授課程，開(kāi)始了超過(guò)半個(gè)世紀(jì)的學(xué)術(shù)之旅。

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非線性光學(xué)與固態(tài)激光器領(lǐng)域的探路者

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1972年，為了表彰Byer對(duì)光學(xué)做出的貢獻(xiàn)，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)授予其Adolph Lomb獎(jiǎng)?wù)拢@是美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)表彰35歲以下年輕科學(xué)家的專門(mén)獎(jiǎng)項(xiàng)。

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這一時(shí)期，Byer開(kāi)始進(jìn)行利用可調(diào)諧激光源遙感的研究，從而大大推動(dòng)了Q 開(kāi)關(guān)不穩(wěn)定諧振器Nd:YAG激光器以及紅外參數(shù)調(diào)諧器的研制與發(fā)展。1974年，Byer還發(fā)起了相干反斯托克斯拉曼光譜(CARS)的研究，并研究出使用可調(diào)諧紅外源的遙感和使用相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)的精密光譜。

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1977年，Byer開(kāi)發(fā)出了200mJ不穩(wěn)定諧振腔Nd:YAG振蕩器。接著他與團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種用于大氣遙感的Nd:YAG泵浦LiNbO3可調(diào)諧紅外OPO并完成了商業(yè)化，現(xiàn)在該產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于二氧化硫、一氧化碳、甲烷、水和大氣溫度等遙感監(jiān)測(cè)。

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在商業(yè)化上，Byer于1984年創(chuàng)辦了一家名為L(zhǎng)ightwave Electronics的公司，他在這里研制出了一種二極管泵浦固態(tài)激光器（Diode Pumped Nd:YAG (NPRO)），并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。同年，基于對(duì)這種二極管泵浦固態(tài)激光器的研究與改進(jìn)，Byer發(fā)明出了綠色激光筆。由于極管泵浦光纖激光器的出現(xiàn)，帶來(lái)了更高的平均功率和更好的效率?，F(xiàn)在，二極管泵浦固態(tài)激光器已占據(jù)了全球激光器市場(chǎng)的50%以上，而綠色激光筆也成為今天的激光筆市場(chǎng)中最受歡迎的類別，并廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)、建筑施工、戶外救援、甚至是課堂教學(xué)等日常生活場(chǎng)景中，真正進(jìn)入了千家萬(wàn)戶。

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在迄今為止所取得的 50 多項(xiàng)專利中，Byer最喜歡的仍然是他這個(gè)綠色激光筆專利，因?yàn)樗苯釉从趯W(xué)生在課堂上提出的問(wèn)題，最后又回歸到課堂上為學(xué)生們提供指引。

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綠色激光筆被廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)、建筑施工、戶外救援、甚至是課堂教學(xué)等日常生活中

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

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在LIGO中展示激光的力量

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1988年，美國(guó)最重要也是最前沿的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目之一——“激光干涉引力波天文臺(tái)”（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ，LIGO)還在策劃中， Byer就說(shuō)服了項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，也就是日后的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Rainer Weiss（雷納·韋斯）采用了自己的激光方案，深度參與到其中。

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LIGO的使命就是發(fā)現(xiàn)和證實(shí)神秘的引力波，并將引力波觀測(cè)發(fā)展為一種天文工具。其原理是把引力波掃過(guò)導(dǎo)致的激光臂的長(zhǎng)度變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榧す飧缮娼Y(jié)果的光強(qiáng)變化。LIGO是人類有史以來(lái)最精確的測(cè)量設(shè)備，能探測(cè)到一個(gè)質(zhì)子半徑的半分之一尺度的長(zhǎng)度變化。其核心激光器及芯片等由Byer率團(tuán)隊(duì)研制。2000年，Byer團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了開(kāi)發(fā)出了世界上最安靜、最穩(wěn)定的二極管泵浦YAG激光器，用作LIGO引力波探測(cè)儀器的主光束。

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2015年，LIGO成功的在人類歷史上首次探測(cè)到了引力波，那是13億光年外的兩個(gè)黑洞碰撞引起的微弱時(shí)空波動(dòng)。這個(gè)非凡的實(shí)驗(yàn)成就于 2016 年 2 月11日正式對(duì)外宣布，引起了全球轟動(dòng)，Rainer Weiss等三人旋即獲得了2017年度的諾貝爾獎(jiǎng)。

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LIGO的測(cè)量精度是如此之精確，以致于會(huì)受到激光束中的光子的量子特性的限制。在量子水平上，虛粒子在真空中不斷漲落，光子會(huì)受到相應(yīng)波動(dòng)的影響，這些波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)器中出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)。LIGO 的科學(xué)家們希望通過(guò)“量子壓縮”來(lái)幫助他們解決虛擬光子問(wèn)題。

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Byer 使用紅外觀察裝置檢查近紅外激光通過(guò)線性晶體的排列。（圖片來(lái)源：Misha Bruk）

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為了產(chǎn)生壓縮光，Byer團(tuán)隊(duì)的研究人員使用了一種稱為光學(xué)參量振蕩器（OPO，Optical parametric oscillator）的技術(shù)，在該技術(shù)中，激光的輸入波被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)頻率較小的輸出波。這個(gè)過(guò)程使成對(duì)的光子糾纏在一起，這有助于減少到達(dá)光子的一個(gè)方向上相位的不確定性，從而使 LIGO 能夠更好地測(cè)量另一個(gè)方向上的相位，幫助他們從噪聲中更好的辨別出信號(hào)。自2019 年 4 月LIGO開(kāi)始使用這種“量子壓縮”技術(shù)升級(jí)后，已經(jīng)能夠更頻繁地探測(cè)到新的引力波信號(hào)，從每月大約一次探測(cè)到大約每周一次。

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伴隨著YAG 激光器、OPO、LIGO為代表的一系列偉大科學(xué)成就，Byer在學(xué)界也獲得了極高的聲譽(yù)和地位，1984-1985年，他出任IEEE激光和光電學(xué)會(huì)主席；1994-1995年間，擔(dān)任美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主席。1996年，憑借在“固態(tài)激光器、光學(xué)參量振蕩器和非線性光學(xué)的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)明和貢獻(xiàn)”，IEEE 激光和電光學(xué)會(huì)向Byer頒發(fā)了量子電子學(xué)獎(jiǎng)；1998年，Byer獲得美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的RW Wood獎(jiǎng)和美國(guó)激光研究所的Arthur Schawlow獎(jiǎng)。

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進(jìn)入21世紀(jì)，Byer在學(xué)術(shù)界的地位更是越發(fā)重要。2000 年，他獲得了 IEEE “第三千年”獎(jiǎng)?wù)拢⑷脒x了美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，并成為美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施（NIF，即激光聚變裝置）咨詢委員會(huì)成員。2008 年，他獲得了IEEE光子學(xué)獎(jiǎng)。2009年，他獲得了美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的弗雷德里克艾夫斯獎(jiǎng)?wù)隆?012到2013年，Byer擔(dān)任美國(guó)物理學(xué)會(huì)主席。

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2020年，為了紀(jì)念激光發(fā)明 60 周年，國(guó)際光學(xué)和光子學(xué)學(xué)會(huì)SPIE設(shè)立了一個(gè)新的年度獎(jiǎng)項(xiàng)——SPIE Maiman（邁曼）激光獎(jiǎng)，這一獎(jiǎng)項(xiàng)以激光的發(fā)明者 Ted Maiman命名，Byer成為獲得該獎(jiǎng)的第一人。在非線性光學(xué)與固態(tài)激光器領(lǐng)域，Byer是被公認(rèn)的偉大探路者。

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加速光量子計(jì)算機(jī)研制

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在當(dāng)下如火如荼的構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中，光量子計(jì)算機(jī)被公認(rèn)為是最有希望的技術(shù)路線之一。而正是激光，為光量子計(jì)算提供了所需的計(jì)算資源。在LIGO中大放異彩的光學(xué)參量振蕩器（OPO），也是構(gòu)建量子光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

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從1967年Byer與導(dǎo)師一起開(kāi)發(fā)出光學(xué)非線性電抗振蕩器，成為光學(xué)參量振蕩器的奠基者以來(lái)，Byer在參量振蕩器領(lǐng)域的數(shù)多年研究對(duì)行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。1969年，Byer的博士畢業(yè)論文《Parametric fluoreacence and optical parametric oscillation（參量熒光和光學(xué)參量振蕩器）》中，Byer詳細(xì)研究了光參量相互作用的兩個(gè)方面：自發(fā)參量發(fā)射和光學(xué)參量振蕩，并探討了基于鈮酸鋰晶體的二次諧波測(cè)試方法。

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2012年，Byer與研究團(tuán)隊(duì)共同發(fā)表了《從參量振蕩器的固有二進(jìn)制相位生成全光量子隨機(jī)比特》一文，探討了基于OPO實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單、高速的光量子隨機(jī)數(shù)生成器（RNGs）集成芯片的可能。其原理為，稱為泵浦光的頻率2ω的激光束入射到非線性光學(xué)晶體的上，會(huì)輸出兩束頻率都為ω的信號(hào)光和閑頻光，兩束光的偏振方向相同，稱之為“簡(jiǎn)并光學(xué)參量振蕩”。這兩束光的狀態(tài)處于量子力學(xué)中光的“壓縮態(tài)”，可以作為量子計(jì)算中的量子比特。

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Byer團(tuán)隊(duì)通過(guò)測(cè)量簡(jiǎn)并光學(xué)參量振蕩器中的震蕩閾值以上的相位，展示了一種基于自發(fā)參量下變頻隨機(jī)性的全光量子RNGs新技術(shù)，由這種光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機(jī)量子比特達(dá)到了99%的保真度，并且具有極快的運(yùn)算潛力。同時(shí)他們還驗(yàn)證了，基于簡(jiǎn)并參量振蕩器的全光量子計(jì)算機(jī)完全不受經(jīng)典噪聲源的影響。

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在這些量子光學(xué)的基礎(chǔ)上，使用光學(xué)參量振蕩構(gòu)建的光量子計(jì)算機(jī)——相干伊辛機(jī)（Coherent Ising Machine，CIM）應(yīng)運(yùn)而生。與超導(dǎo)、離子阱等使用邏輯門(mén)計(jì)算架構(gòu)的其他技術(shù)路線相比，CIM是一種完全不同的量子計(jì)算機(jī)，是了采用光量子耗散式架構(gòu)，利用量子失諧而不是量子糾纏作為計(jì)算資源，更加類似于人腦神經(jīng)突觸的工作模式，天然更適合于形成超大規(guī)模的量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)環(huán)境噪聲和錯(cuò)誤有很強(qiáng)的抵抗力。

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近年來(lái)，由于看到CIM的巨大前景，Byer加入了NTT Research PHI 實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任杰出科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)展非線性光學(xué)材料和激光二極管泵浦固態(tài)激光源等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，以加速相干伊辛機(jī)的研制，并為使用簡(jiǎn)并參量振蕩構(gòu)建量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做出了重要貢獻(xiàn)。

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在Byer的辦公室里，陳列著一臺(tái)在上世紀(jì)邂逅的，令他此生著迷的Spectra- Physics 激光器。Byer說(shuō)，它將時(shí)刻提醒著自己，在激光領(lǐng)域走了多遠(yuǎn)?！爱?dāng)我們努力開(kāi)發(fā)激光器時(shí)，我們不知道它們會(huì)走向何方。于是它們出現(xiàn)了，然后塑造了未來(lái)?！?/p>

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參考文獻(xiàn)：

https://news.stanford.edu/2019/11/19/life-changing-first-glimpse-laser/

https://www.symmetrymagazine.org/article/the-quantum-squeeze

https://www.optica.org/en-us/history/biographies/bios/robert-l--byer/

https://news.stanford.edu/2017/10/16/ligo-binary-neutron-star-milestone/

https://www.newscientist.com/article/mg23130840-800-how-superlasers-could-drive-nuclear-fusion-and-find-alien-life/

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編譯：王衍/李每

編輯：王衍

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