麻省理工物理學(xué)教授、光學(xué)計算領(lǐng)域的開拓者Marin Solja?i?（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

?

Marin Solja?i?（馬林·索爾季奇），他是納米光學(xué)、光子計算、人工智能、無線電力傳輸?shù)榷嘌芯款I(lǐng)域的著名科學(xué)家，與此同時，他還磁共振無線電力傳輸技術(shù)的開創(chuàng)者和行業(yè)領(lǐng)軍者。

?

青年才俊嶄露頭角

?

Solja?i?出生于克羅地亞的首都薩格勒布，1996年他從美國麻省理工學(xué)院物理和電氣工程學(xué)專業(yè)畢業(yè)，1998年取得普林斯頓大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位，在2000年獲得博士學(xué)位后成為麻省理工學(xué)院研究員。2003年，Solja?i?擔(dān)任麻省理工學(xué)院電子研究實驗室首席研究科學(xué)家，2007年升為麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授。

?

作為一名杰出的克羅地亞裔美國物理學(xué)家和電氣工程師，Solja?i?的研究興趣廣泛主要包括納米光學(xué)、非線性光學(xué)、電磁波、人工智能、無線電力傳輸、太陽能等方面。

?

2005年，為表彰Solja?i?對光學(xué)做出的卓越貢獻，美國光學(xué)學(xué)會授予其Adolph Lomb獎?wù)拢ǐ@獎?wù)吣挲g限制35歲以下）。在34歲時， Solja?i?獲得了MacArthur Fellowship（麥克阿瑟獎，俗稱天才獎），37歲時被評為世界經(jīng)濟論壇青年領(lǐng)袖。2014年，憑借在無線電力傳輸技術(shù)上的卓越貢獻，Solja?i?被授予Blavatnik（布拉瓦尼克）國家青年科學(xué)家獎，該獎項是美國43歲以下杰出青年科學(xué)家和工程師中的最重磅榮譽之一。

?

引領(lǐng)遠距離無線電力傳輸

?

一直以來，Solja?i?在積極地推動將實驗室中的科研結(jié)果轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品。其中最廣為人知的是，Solja?i?開創(chuàng)性地提出磁共振電力無線傳輸技術(shù)，并成功將其商業(yè)化。

?

2007年7月，33歲的Solja?i?在《Science》（科學(xué)）期刊上發(fā)表了一篇論文，重新探討了無線電能傳輸之父尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的想法——特斯拉早在1890年代就提出了在地球或大氣中遠距離電磁輻射電力傳輸?shù)脑O(shè)想。

?

與特斯拉線圈通過電場共振傳輸能量不同，Solja?i?的方案主要通過磁場使用耦合。接下來Solja?i?和他的助手通過60W的燈泡，成功地在2米距離內(nèi)第一次實現(xiàn)了高效的非輻射電力傳輸，能量轉(zhuǎn)移效率高達40%，有力地證明了通過磁共振方法實現(xiàn)遠距離電力無線傳輸是可能的。

?

?

（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

?

這種磁共振電力無線傳輸技術(shù)也被命名為witricity技術(shù)，即通過發(fā)射端和接收端的磁諧振器達到相同的頻率實現(xiàn)磁場共振，從而傳輸能量。與其他無線充電技術(shù)所不同的是，witricity技術(shù)是第二代無線充電技術(shù)，具有遠距離傳輸、功率隨需調(diào)整、隨放隨充的優(yōu)勢，由此掀起了無線電力傳輸領(lǐng)域的新浪潮。

?

2007年，Solja?i?創(chuàng)立了WiTricity無線電力傳輸技術(shù)解決方案公司，致力于將這種無線充電技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用。2014年，WiTricity正式推出第一個采用witricity技術(shù)的消費設(shè)備無線充電系統(tǒng)——iPhone 5的無線充電器。

?

截止目前，WiTricity已經(jīng)走進大多數(shù)人的日常生活，為各種消費電子產(chǎn)品、電動汽車、醫(yī)療設(shè)備等多領(lǐng)域所采用，其客戶包括蘋果、英特爾、聯(lián)發(fā)科、戴爾、奧迪、寶馬、克萊斯勒、捷豹、日產(chǎn)、豐田等。

?

2019年WiTricity并購最大競爭對手高通 Halo成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。作為遠距離無線電力傳輸行業(yè)的先驅(qū)，WiTricity現(xiàn)在已是全球多項無線電力傳輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定者。

?

進入光學(xué)晶體領(lǐng)域研究

?

在光學(xué)晶體領(lǐng)域，Solja?i?教授致力于納米光子晶體（PhC）的研究與應(yīng)用，同樣做出了重大貢獻。

?

納米光子晶體又稱為“光子半導(dǎo)體”，是人工制造的納米結(jié)構(gòu)“超材料”，其光學(xué)特性在光波長范圍內(nèi)周期性變化使光子的在其中行為與通常情況下迥異。

?

具體來說，PhC光學(xué)晶體由一種材料的晶格與其它材料或開放空間交替制成，根據(jù)構(gòu)成晶格的結(jié)構(gòu)和間距，某些特定波長的光可以通過，而其他波長的光則被反射或吸收，這為塑造光子流提供了前所未有的可能。

?

“基于納米光學(xué)晶體，我們幾乎可以隨意調(diào)整光在其中的的物理表現(xiàn)，并能夠在這一新物理現(xiàn)象中獲得啟發(fā)。”

?

Solja?i?在這方面的研究工作，對于理解光量子物理基本原理以及光量子計算機的開發(fā)和應(yīng)用具有深遠影響。

?

一維光子晶體 (PhC) 與具有接近零介電常數(shù)的納米復(fù)合材料 (NC) 層耦合的示意圖（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

?

Solja?i?講到，從物理原理角度來看，PhC晶體中光子的傳播與半導(dǎo)體中電子的運動有著密切的相似性，因此可以推測：就像半導(dǎo)體原理的研究推動了集成電路芯片的誕生一樣，PhC光子晶體將是實現(xiàn)光學(xué)集成芯片材料的最有希望的候選者。

?

2006年，Solja?i?又研制出了一種使用波導(dǎo)腔量子電動力學(xué)的單光子全光開關(guān)，這類似于當(dāng)代微處理器中的晶體管，實現(xiàn)了光學(xué)計算機研制的重大突破。現(xiàn)在，這種技術(shù)已被用于制造尺寸小于一微米，且比商用電子產(chǎn)品中使用的晶體管快一個數(shù)量級的全光學(xué)開關(guān)。

?

推動全光學(xué)計算的實現(xiàn)

?

在PhC光子晶體研究的基礎(chǔ)上，Solja?i?進入了對全光學(xué)計算機實現(xiàn)領(lǐng)域的深入探索中。

?

Solja?i?指出，基于光的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)非常適用于深度學(xué)習(xí)應(yīng)用場景。為此他分別開展了兩個細分領(lǐng)域的研究：

?

一方面，基于PhC光子晶體研制光學(xué)芯片等硬件。實現(xiàn)全光計算機的挑戰(zhàn)之一是增強芯片設(shè)備上的光子相互作用效果，而通過對PhC光子晶體設(shè)計將能夠顯著增強這些光學(xué)效應(yīng)。Solja?i?從理論和實驗上證明了，在PhC光子晶體器件中即使在單光子之間也可以實現(xiàn)非線性相互作用。因此，這些材料可以實現(xiàn)單光子對單光子的操縱，極大地改變光學(xué)相互作用太弱而無法用于信號處理的觀點。Solja?i?在展示利用光子進行信息處理的新型計算機的可能性同時，還在演示其極大減少計算過程中的能量消耗和熱量產(chǎn)生方面做了重要工作。

?

另一方面，在深度學(xué)習(xí)的算法研究上，Solja?i?提出了一種新型光子學(xué)深度學(xué)習(xí)架構(gòu)。這種基于光學(xué)散射單元的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，僅對一小部分數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練就可以逼近精確模擬，也就是說，一旦這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被成功訓(xùn)練，其效果將比傳統(tǒng)模擬方法快幾個數(shù)量級。

?

近年來，Solja?i?將這種光計算矩陣乘法硬件架構(gòu)的思路，交給了其一位來自中國的博士研究生——沈亦晨去繼續(xù)實現(xiàn)。2017年，他們合作的成果論文入選著名學(xué)術(shù)雜志《Nature Photonics》（自然光子學(xué)）雜志封面文章。該研究成果介紹了一種利用光學(xué)干涉執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作計算的新方法，?Solja?i?表示：“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)將比傳統(tǒng)的逆向設(shè)計要快得多。【1】”

?

?

（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

?

幾個月后，以沈亦晨為首的創(chuàng)業(yè)團隊就成立了曦智科技（Lightelligence）公司，將這種技術(shù)推向市場。作為熱忱于將前沿技術(shù)商業(yè)化的科學(xué)家和連續(xù)創(chuàng)業(yè)者，Solja?i?也躬身入局，成為最早加入曦智科技董事會的人之一。

?

升級版全光學(xué)計算

?

經(jīng)過數(shù)年研發(fā)，Solja?i?團隊已經(jīng)演示了一種集成納米光子循環(huán)伊辛采樣器(INPRIS)，并開發(fā)出一種啟發(fā)式算法【2】。在已經(jīng)完成的計算實驗中，他們展示了純光學(xué)伊辛機（Photonic Ising Machine，PIM）計算系統(tǒng)在解決組合難題中，實現(xiàn)加速的潛力。

?

2021年12月17日，曦智科技基于上述光學(xué)伊辛機的成果推出了他們的全光學(xué)計算處理器芯片PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計算引擎)。作為曦智科技針對AI和深度學(xué)習(xí)之外的場景的光學(xué)計算的首次演示，PACE 有效地展現(xiàn)了幾個最難的計算數(shù)學(xué)問題的解決方案，包括伊辛問題以及Max-Cut（最大割）問題等。

?

?

曦智科技的全光學(xué)計算處理器芯片PACE（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

?

光量子和相干伊辛機

?

除了光學(xué)干涉現(xiàn)象以外，光子的量子特性一直被認為是一種更強有力得多的計算資源。因此在實現(xiàn)了全光學(xué)計算機以后，Marin Solja?i?團隊很自然就瞄準(zhǔn)了“量子計算”這個更高的新領(lǐng)域。尤其是自從以光量子為物理基礎(chǔ)的相干伊辛機（Coherent Ising Machine，CIM）發(fā)展起來后，在光量子領(lǐng)域極具前景。作為一個極具商業(yè)化頭腦的連續(xù)創(chuàng)業(yè)者，Marin Solja?i?教授和他的團隊進一步研究基于基于光量子計算的相干伊辛機CIM如何解決更多現(xiàn)實世界的問題。

?

Solja?i?對光量子計算機充滿期待：“光學(xué)計算是一個歷史悠久的研究領(lǐng)域?，F(xiàn)在，我們必須確定光子硬件的哪些最新進展可以產(chǎn)生影響。換言之：我們必須找到現(xiàn)代光子學(xué)的意義和價值?！?/p>

?

參考文獻：

【1】https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aar4206

【2】https://www.nature.com/articles/s41467-019-14096-z

?

編譯：王衍/李每編輯：王衍

?