量子前沿英雄谱｜既研究陶艺，也研究光量子：Hideo Mabuchi

斯坦福大学应用物理学教授、量子反馈控制领域著名科学家Hideo Mabuchi教授

（图片来源：斯坦福大学）

Hideo Mabuchi，美国物理学家，斯坦福大学应用物理学教授、Mabuchi实验室负责人，量子光学、量子反馈控制领域的科学家之一。

一脚踏入光量子计算

1992年的夏天，Mabuchi刚从普林斯顿大学物理学专业毕业进入加州理工大学攻读硕士学位，在寻找研究方向的过程中，Mabuchi为Eugene Simon Polzik教授的研究项目所吸引从而加入其实验室。由此，Mabuchi从物理基础学科踏入量子光学的世界。

在接下来的三年多时间里，Mabuchi进行了大量关于量子光学基础领域的实验，包括双光子压缩实验，腔量子电动力学实验新范式研究等。这些实验经验为他研究量子光学奠定了坚实的基础。

其中，在1995年，Mabuchi与奥地利理论物理学家Peter Zoller在《物理评论快报》上发表《Inversion of Quantum Jumps in Quantum Optical Systems under Continuous Observation》（连续观测下量子光学系统中的量子跃迁反演）一文，阐述了使用腔量子电动力学和离子阱技术的原理验证，并提出了一种量子计算纠错的新发现。自此，Mabuchi正式开启了量子计算的研究之旅。

在攻读博士期间，Mabuchi师从量子科学家H. Jeff Kimble，于量子网络、量子通信、量子信息处理等领域开展了系统的研究。1998年，在尚未完成物理学博士学业之前，Mabuchi凭借出色的研究和学术能力被聘任为加州理工大学助理教授，承担物理测量与控制学科教学工作。

2007年以来，Mabuchi进入斯坦福大学担任应用物理学教授，并曾在2010-2015年间担任斯坦福大学应用物理系主任。早期，Mabuchi主要研究的领域涵盖理解开放量子系统、量子测量以及量子-经典跃迁等。

早在2000年，美国《发现》杂志将Mabuchi评为未来二十年值得关注的二十位科学家之一；同年，Mabuchi获得了MacArthur奖。彼时，年仅29岁的Mabuchi已在光学量子科研领域锋芒初露，MacArthur基金会表示：“Mabuchi使用光学的方法扩展了我们对量子行为的理解”。

值得一提的是，在此之前，Mabuchi就已开创了一种在开放系统中进行实时测量量子效应的方法，并将这种测量反馈方法应用于控制量子相互作用取得显著成果。此外，Mabuchi还进行了热力学与量子行为关系的研究，以寻找将双方的相互作用特点应用于实际用途的可能。目前，这一研究成果在生物大分子（如酶等）构建方面发挥了重要作用。

探索用量子测量反馈作为计算的方案

在斯坦福大学期间，Mabuchi领导实验室小组在量子光学领域开展了一系列系统而深入的研究。

近些年来，Mabuchi的研究小组转向了量子工程的基本问题研究，主要涵盖量子非线性动力学、量子反馈控制和量子模型简化。同时，其团队还在单分子生物物理学、量子信息科学和量子材料方面开展了大量工作。

在基于测量和相干反馈量子控制研究领域，Mabuchi研究小组专注于探索相干反馈在阿焦耳/量子纳米光子学合成新功能行为方面的应用，以及在全光信息处理架构中用反馈进行计算（包括量子计算机和相干伊辛机）。其小组在该领域取得了众多研究成果：

2012年，Mabuchi小组提出了一种将谐振器嵌入到干涉仪中实现全光反馈的相干反馈冷却量子振荡器方案。在确保量子保真度的同时，他们证明了在低稳态激发次数以及量子区测量方面，该方案优于当前最佳的基于线性二次高斯测量的方案。

2013年，Mabuchi研究小组提出了一种以不同相干量子反馈配置排列的简并光学参量振荡器（DOPO）输出的压缩光和反压缩光的方案。在该方案中采用一个OPO控制另一个OPO，证明了相干量子反馈技术可被设计用于控制OPO输出的光学量子特性，由此为相干伊辛机构建奠定了重要基础。

2019年，Mabuchi研究小组在斯坦福大学Yoshihisa Yamamoto教授的领导下，提出了使用纠缠交换在相干伊辛机器内产生纠缠脉冲的方案，一反以往量子自旋过程中不产生纠缠的问题，推动相干伊辛机利用纠缠资源进行计算成为可能。

Mabuchi指出，反馈控制在量子技术领域扮演着极其重要的角色，量子反馈控制的新应用已经出现在先进的技术发展中。现在，以测量-反馈为代表的技术方案正推动相干伊辛机量子计算系统发展进入第三阶段，预计将在较短时间内就能投入实用化的场景中。

多年来，Mabuchi领导的研究项目获得了众多组织机构的资金支持，包括美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、NTT Research、DARPA、ONR、ARO、AFOSR和NSA等。

2016年以来，Mabuchi担任量子科学与技术期刊（IOP）编委，同年，其领导的《用于优化、机器学习和神经形态计算的相干伊辛机器》研究项目获得美国国家科学基金会INSPIRE奖支持。

伴随量子计算科学发展突飞猛进，Mabuchi在量子计算与神经网络交叉学科领域进行了深入研究。2019年，在NTT Research与斯坦福大学达成联合研究协议的项目中，Mabuchi担任负责人，与NTT Research PHI实验室共同开发新型光学和超导器件，以研究量子到经典的交叉物理和量子神经网络中的临界现象。

2020年，Mabuchi与NTT Research PHI实验室主任Yamamoto教授的研究成果《Coherent Ising machines—Quantum optics and neural network》（相干伊辛机：量子光学与神经网络观点）发表于《Applied Physics Letters》，创造性提出了一个跨学科研究的新领域——量子神经网络相干伊辛机。文章对量子神经网络相干伊辛机和传统计算机科学技术进行了详细定性类比，以及论证其在解决组合优化问题方面的巨大优势。

Mabuchi表示：“费曼指出，用经典计算机来预测理想的量子系统的行为似乎是个难题，随之而来的一个猜想是，理想的量子系统可以被设计出来，从而解决经典计算机难以解决的特定问题。现在在实验观察中已表明，量子计算系统的算力指数级提升是可能的。量子计算作为实验物理某些领域的一种设计原则，正在产生最直接的影响。”

科学之外的艺术浪漫

在量子光学科研之外，Mabuchi还是一位自学成才的陶艺家，其爱好是制作陶器雕塑以及表面纹理艺术。

（图片来源：网络）

在成立工作室的同时，Mabuchi专注于用柴烧法和编织抛掷以创作粗陶器皿。Mabuchi还将其陶艺爱好与其在斯坦福的教学工作进行了很好的结合，不仅在斯坦福大学校园内建造了吹灰窑并且举办多场陶艺展。

Mabuchi表示，“我对科学与工艺之间的联系很感兴趣。手工艺人对火有着非常实际的理解，因为在反复地动手实践中他们认知到如何获得想要的结果。如此反观，在当前的本科和研究生学习阶段，应用物理学正在变得越来越抽象和理论化，我们需要思考将工艺的本质带回到物理和工程领域。”

近年来，Mabuchi致力于开发新的教学方法：将陶艺与科学和人文研究相结合，以及将工艺引入到通识本科教育的核心层面。在这个过程中，他正在尝试利用高温成像和光学/电子显微镜方法在燃木陶瓷的颜色形成物理学方面开展新研究。

编译：王衍/李每

编辑：王衍