量子前沿英雄谱｜光量子计算的“技术前锋”：Alireza Marandi

加州理工学院电气工程教授Alireza Marandi

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Alireza Marandi，加州理工学院电气工程教授，光量子技术领域的前沿科学家。

激光照亮“新可能性”

2006年，Marandi从德黑兰大学毕业，并于2008年在维多利亚大学获得硕士学位。2013年，Marandi获得斯坦福大学博士学位后，在斯坦福大学担任博士后学者和研究工程师，在此期间，他还前往日本国立信息研究所担任访问科学家、美国杜比实验室高级技术组担任高级工程师。

2017年以来，Marandi进入加州理工大学开展教学与科研工作。作为美国光学学会（OSA）高级成员和IEEE（电气电子工程师学会）的资深成员，Marandi已获得美国国家科学基金会（NSF）职业奖、AFOSR YIP奖（美国科学研究办公室奖）和KNI-Wheatley奖学金。

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谈及与光学和量子物理结缘，Marandi表示他是受到一部与激光有关的科幻电影的启发。“它让我对了解什么是激光以及其与其它光源有何不同产生了兴趣【1】。”

在这种兴趣的驱使下，Marandi在上小学时为此买了一本关于激光的教科书学习，并因此遭受了周围的“异样眼光”。不过对于Marandi来说，虽然并不能够理解书中的任何内容，但它却让年少的他对激光以及激光背后的物理学世界充满了想象。

进入高中后， Marandi首次接触到激光二极管，并由此打开了新世界的大门：“我尝试了自己建立最简单的光通信链路，这是我第一次正式地完成光子实验。”据Marandi讲述， 随着对“建造”的热爱愈发强烈，在整个高中生涯中他制作了大量的电子产品。

接着，在德黑兰大学攻读电气工程专业时，Marandi迷上人工智能算法，并在此后很长的时间里，致力于将人工智能引入电磁结构的设计、建造和测试。这也为其在人工智能和电磁领域打下了坚实的基础。直到进入斯坦福大学攻读博士学位后，Marandi确定了自己的研究目标：使用光子结构来解决人工智能问题。

Marandi认为，“光学最吸引人的因素之一是，于科学研究和工程设计与开发之间可找到平衡点。”

与非线性光学前辈同行

作为非线性光学领的代表性研究科学家，Marandi经常会以一个贴近生活的例子来简述非线性光学的价值：呼吸分子分析。

在我们呼吸时，一些与血液成分联系密切的分子会流出，通过研究呼吸中的分子可以为人类健康监测提供支撑。但是呼吸中的分子浓度较低从而难捕捉到，要克服这个问题，激光光谱分析是一个很好的方法：研究人员通过光谱仪工具可以观察到光束穿过物质时吸收了哪些频率的光，然后寻找出该光谱所对应的化合物，进而了解人体健康状态【2】。

Alireza Marandi（左）（图片来源：网络）

激光作为非线性光学诞生的标志之一，在切割、焊接、手术以及光纤传输等各种应用中发挥着非常重要的作用。但激光也有一些限制——只能产生有限波长范围内的光。这正是无数研究人员们在非线性光学领域中探索研究的方向。而突破这一障碍，也是Marandi的重点研究内容之一。

在斯坦福大学攻读博士学位时，Marandi师从激光技术领域最权威的泰斗之一、美国著名物理学家Robert Byer（罗伯特·拜尔），并且与领域中的众多优秀科学家们一起在非线性光学领域开展了大量研究工作。

这段时光对Marandi的研究生涯产生了重要影响。在博士学习期间，他加入到Byer-Fejer小组，与非线性光学泰斗Steve Harris、Martin Fejer以及光量子领域的开创性领导者之一Yoshihisa Yamamoto教授进行了大量且深入的技术讨论。同时，Marandi还参与到美国高级激光干涉引力波天文台（LIGO）项目中，跟随LIGO项目地震隔离系统首席科学家、工作组组长Brian Lantz学习。并在著名物理学家、光学科学家Konstantin Vodopyanov的指导下，完成了博士论文。

目前，Marandi教授的研究重点是非线性光子学的基础技术发展，通过探索超快光学、光学频率梳、量子光学、光学信息处理、中红外光子学和激光光谱学的前沿，并带领实验室团队致力于开发从传感到非经典计算和信息处理等应用的新型非线性光子器件和系统，推进理论的发展。

从伊辛机到量子光子学

在量子技术领域，Marandi的主要研究方向是“基于简并光学参量震荡器使用光量子实现量子计算”。从他的博士论文中，我们可以寻找到其开展此方向研究的初衷。

在Marandi的博士论文《Sub-harmonic generation of frequency combs for spectroscopy and quantum optics》（用于光谱学和量子光学的频率梳的次谐波生成）中，他介绍了一种通过从商用近红外源中生成次谐波用以产生带宽中红外频率梳的新方法——构建简并光学参量振荡器（DOPO），并且通过实验结果证明，基于简并光学参量振荡器产生次谐波的方法具有设置简单、低功率要求、转换效率高等优势。

在实验研究中，Marandi指出，简并参量震荡器产生次振波的过程中发生了有趣的量子行为，而这为频率梳状态下的光量子实验提供了重要支撑。正是基于这一发现，Marandi开始在光学参量振荡器以及光量子技术领域做了大量的工作。

Peter McMahon（左）和访问研究员 Alireza Marandi（右）（图片来源：网络）

斯坦福大学是相干伊辛机学派的诞生地，2011年斯坦福大学Yamamoto教授首次提出了相干伊辛机的概念，成为该学派的开创者。2013年，Marandi获得博士学位后，选择加入斯坦福Yamamoto教授研究组，跟随Yamamoto教授在该领域深入探索。

正是在这样的学术渊源下，Marandi参与并见证了相干伊辛机光学计算逐渐走向成熟。

2013年，Marandi与王哲、文凯、Robert Byer等人提出了使用一种称为简并光学参量振荡器（DOPO）的网络构建相干伊辛机，并使用非线性光学晶体。由此，相干伊辛机这种量子神经网络开始进入快速发展阶段【3】。

2014年，Marandi与Rober Byer、Yamamoto教授等在实验中首次展示了具有光耦合的时分复用OPO【4】；2016年，Marandi与研究团队展示了新一代相干伊辛机，并展示了其解决100个变量问题的能力，从而验证了相干伊辛机的可扩展性【5】；2018年，Marandi团队再次证明，通过延长反馈回路、降低光学棱镜反射率，可以产生更小、成本更低和更高效的光脉冲源进而提升相干伊辛机的阔扩展性【6】。

2019年，Marandi负责加州理工学院与NTT Research开展的联合项目“开发一个可扩展的架构，用于使用光学参量振荡器 (OPO) 网络对多体系统进行有效的量子模拟”。同年，凭借“对非线性光子学的贡献，特别其是在OPO计算和光学伊辛机演示以及中红外频率梳的半谐波生成方面的开创性工作”，Marandi获得了由激光物理与光子学学会（IUPAP）颁发的青年科学家奖（应用方面）。

为了能够充分利用非线性光学谐振器，近年来，Marandi带领团队开始探索其底层物理原理认知。在这项工作中，基于铌酸锂构建光学谐振器成为Marandi团队的主要研究方向之一。

2022年3月，Marandi团队在《Science》（科学）杂志上公布了最新研究成果：在高达3.25 µm的宽波长范围内调谐的片上双谐振OPO，这个范围足以覆盖几个重要分子（NH3、CO2和CH4等）的吸收区域。此外，该团队还通过实验证明了一种新双谐振OPO设计方法，可避免三谐振配置和线性腔振荡器中存在的众多挑战【7】。该团队还将准相位匹配与纳米光子铌酸锂波导中的色散工程相结合，实现了强烈的光参量放大，为片上少周期非线性光学、中红外光子学和量子光子学开辟了新的可能性【8】。

与此同时，Marandi团队还通过构建高度可扩展且易于重置的时间复用的光学谐振器网络，实验证明了一维和二维晶格具有隔离耗散率的稳健拓扑边缘状态【9】。

Marandi 表示：“拓扑耗散的概念将成为光量子系统的另一种资源。我们的新研究将为设计耗散系统提供了一种新方法，可用于设计量子存储器、光子传感器和拓扑放大器等设备。”

作为一名青年量子前沿科学家，Marandi正在带领团队在光量子计算领域开拓出更多研究成果。

参考：

【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)

编译：王衍/李每

编辑：王衍