加州理工學(xué)院電氣工程教授Alireza Marandi
（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）
Alireza Marandi，加州理工學(xué)院電氣工程教授，光量子技術(shù)領(lǐng)域的前沿科學(xué)家。
激光照亮“新可能性”
2006年，Marandi從德黑蘭大學(xué)畢業(yè)，并于2008年在維多利亞大學(xué)獲得碩士學(xué)位。2013年，Marandi獲得斯坦福大學(xué)博士學(xué)位后，在斯坦福大學(xué)擔(dān)任博士后學(xué)者和研究工程師，在此期間，他還前往日本國立信息研究所擔(dān)任訪問科學(xué)家、美國杜比實驗室高級技術(shù)組擔(dān)任高級工程師。
2017年以來，Marandi進入加州理工大學(xué)開展教學(xué)與科研工作。作為美國光學(xué)學(xué)會（OSA）高級成員和IEEE（電氣電子工程師學(xué)會）的資深成員，Marandi已獲得美國國家科學(xué)基金會（NSF）職業(yè)獎、AFOSR YIP獎（美國科學(xué)研究辦公室獎）和KNI-Wheatley獎學(xué)金。
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談及與光學(xué)和量子物理結(jié)緣，Marandi表示他是受到一部與激光有關(guān)的科幻電影的啟發(fā)?！八屛覍α私馐裁词羌す庖约捌渑c其它光源有何不同產(chǎn)生了興趣【1】?！?/p>
在這種興趣的驅(qū)使下，Marandi在上小學(xué)時為此買了一本關(guān)于激光的教科書學(xué)習(xí)，并因此遭受了周圍的“異樣眼光”。不過對于Marandi來說，雖然并不能夠理解書中的任何內(nèi)容，但它卻讓年少的他對激光以及激光背后的物理學(xué)世界充滿了想象。
進入高中后， Marandi首次接觸到激光二極管，并由此打開了新世界的大門：“我嘗試了自己建立最簡單的光通信鏈路，這是我第一次正式地完成光子實驗。”據(jù)Marandi講述， 隨著對“建造”的熱愛愈發(fā)強烈，在整個高中生涯中他制作了大量的電子產(chǎn)品。
接著，在德黑蘭大學(xué)攻讀電氣工程專業(yè)時，Marandi迷上人工智能算法，并在此后很長的時間里，致力于將人工智能引入電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建造和測試。這也為其在人工智能和電磁領(lǐng)域打下了堅實的基礎(chǔ)。直到進入斯坦福大學(xué)攻讀博士學(xué)位后，Marandi確定了自己的研究目標(biāo)：使用光子結(jié)構(gòu)來解決人工智能問題。
Marandi認為，“光學(xué)最吸引人的因素之一是，于科學(xué)研究和工程設(shè)計與開發(fā)之間可找到平衡點。”
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)常會以一個貼近生活的例子來簡述非線性光學(xué)的價值：呼吸分子分析。
在我們呼吸時，一些與血液成分聯(lián)系密切的分子會流出，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，要克服這個問題，激光光譜分析是一個很好的方法：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的重點研究內(nèi)容之一。
在斯坦福大學(xué)攻讀博士學(xué)位時，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教授進行了大量且深入的技術(shù)討論。同時，Marandi還參與到美國高級激光干涉引力波天文臺（LIGO）項目中，跟隨LIGO項目地震隔離系統(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)實驗室團隊致力于開發(fā)從傳感到非經(jīng)典計算和信息處理等應(yīng)用的新型非線性光子器件和系統(tǒng)，推進理論的發(fā)展。
從伊辛機到量子光子學(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現(xiàn)量子計算”。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），并且通過實驗結(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。
在實驗研究中，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)下的光量子實驗提供了重要支撐。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光學(xué)計算逐漸走向成熟。
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，并使用非線性光學(xué)晶體。由此，相干伊辛機這種量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開始進入快速發(fā)展階段【3】。
2014年，Marandi與Rober Byer、Yamamoto教授等在實驗中首次展示了具有光耦合的時分復(fù)用OPO【4】；2016年，Marandi與研究團隊展示了新一代相干伊辛機，并展示了其解決100個變量問題的能力，從而驗證了相干伊辛機的可擴展性【5】；2018年，Marandi團隊再次證明，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而提升相干伊辛機的闊擴展性【6】。
2019年，Marandi負責(zé)加州理工學(xué)院與NTT Research開展的聯(lián)合項目“開發(fā)一個可擴展的架構(gòu)，用于使用光學(xué)參量振蕩器 (OPO) 網(wǎng)絡(luò)對多體系統(tǒng)進行有效的量子模擬”。同年，憑借“對非線性光子學(xué)的貢獻，特別其是在OPO計算和光學(xué)伊辛機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（IUPAP）頒發(fā)的青年科學(xué)家獎（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)團隊開始探索其底層物理原理認知。在這項工作中，基于鈮酸鋰構(gòu)建光學(xué)諧振器成為Marandi團隊的主要研究方向之一。
2022年3月，Marandi團隊在《Science》（科學(xué)）雜志上公布了最新研究成果：在高達3.25 μm的寬波長范圍內(nèi)調(diào)諧的片上雙諧振OPO，這個范圍足以覆蓋幾個重要分子（NH3、CO2和CH4等）的吸收區(qū)域。此外，該團隊還通過實驗證明了一種新雙諧振OPO設(shè)計方法，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】。該團隊還將準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，實現(xiàn)了強烈的光參量放大，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，Marandi團隊還通過構(gòu)建高度可擴展且易于重置的時間復(fù)用的光學(xué)諧振器網(wǎng)絡(luò)，實驗證明了一維和二維晶格具有隔離耗散率的穩(wěn)健拓撲邊緣狀態(tài)【9】。
Marandi 表示：“拓撲耗散的概念將成為光量子系統(tǒng)的另一種資源。我們的新研究將為設(shè)計耗散系統(tǒng)提供了一種新方法，可用于設(shè)計量子存儲器、光子傳感器和拓撲放大器等設(shè)備?！?/p>
作為一名青年量子前沿科學(xué)家，Marandi正在帶領(lǐng)團隊在光量子計算領(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
