加州理工学院电气工程教授Alireza Marandi
Alireza Marandi是加州理工学院的电气工程教授，也是光量子技术领域的领先科学家。
激光照亮“新的可能性”
马兰迪2006年毕业于德黑兰大学，2008年获得维多利亚大学硕士学位。2013年，在斯坦福大学获得博士学位后，马兰迪在斯坦福大学担任博士后学者和研究工程师。在此期间，他还以访问科学家的身份前往日本国家信息研究所，并以高级工程师的身份前往杜比实验室的高级技术小组。2017年起，马兰迪进入加州理工学院开展教学和科研工作。作为美国光学学会和IEEE的资深成员，Marandi获得了国家科学基金会职业奖、AFOSR YIP奖和KNI-W .希斯利奖学金。
谈及与光学和量子物理的联系，马兰迪说，他的灵感来自一部与激光有关的科幻电影。“这让我有兴趣了解什么是激光，以及它与其他光源有何不同[1]。”
在这种兴趣的驱使下，马兰迪在小学的时候买了一本关于激光的教材，饱受周围“异样眼光”的困扰。然而，对于马兰迪来说，虽然他看不懂书中的任何东西，但这却让他对激光及其背后的物理世界充满了想象。
进入高中后，马兰迪第一次接触到激光二极管，从而打开了一个新世界的大门:“我试图自己建立最简单的光通信链路，这是我第一次正式完成光子实验。”据马兰迪说，随着他对“建筑”的热爱越来越强烈，他在整个高中生涯中制作了大量的电子产品。
然后，在德黑兰大学学习电气工程时，马兰迪迷上了人工智能算法，之后的很长一段时间里，他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学方面的应用打下了坚实的基础。直到进入斯坦福大学攻读博士学位，马兰迪才确定了自己的研究目标:利用光子结构解决人工智能问题。
马兰迪认为，“光学最吸引人的因素之一是它能在科学研究和工程设计开发之间找到平衡。”
与非线性光学前辈同行
作为非线性光学的代表性研究科学家，马兰迪经常用一个贴近生活的例子来描述非线性光学的价值:呼吸分子分析。当我们呼吸时，一些与血液成分密切相关的分子会流出。研究呼吸中的分子可以为人体健康监测提供支持。然而，呼吸中的分子浓度较低，因此很难捕捉到它们。要克服这个问题，激光光谱分析是一个很好的方法:研究人员可以通过分光计工具观察光束穿过物质时有哪些频率的光被吸收，然后找出这个光谱对应的化合物，从而知道人体的健康状况[2]。
阿里雷扎·马兰迪
作为非线性光学诞生的标志之一，激光在切割、焊接、手术、光纤传输等应用中发挥着非常重要的作用。但是激光有一些局限性——它们只能产生有限波长范围的光。这是非线性光学领域无数研究者正在探索的方向。突破这一障碍也是马兰迪的重点研究内容之一。
在斯坦福大学攻读博士学位时，马兰迪师从激光技术领域最权威的大师之一、美国著名物理学家罗伯特·拜尔，与该领域众多杰出的科学家一起，在非线性光学领域开展了大量的研究工作。
这段时间对马兰迪的研究生涯产生了重要影响。在博士学习期间，他加入了拜尔-费杰小组，并与非线性光学大师Steve Harris、马丁·费杰和量子光学领域的先驱领袖之一山本义久教授进行了广泛而深入的技术讨论。同时，马兰迪还参与了美国先进激光干涉引力波天文台项目，并与LIGO项目隔震系统首席科学家兼工作组组长布莱恩·兰茨(Brian Lantz)进行了研究。在著名物理学家、光学科学家康斯坦丁·沃多皮扬诺夫的指导下，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开发。通过探索超快光学、光频梳、量子光学、光信息处理、中红外光子学和激光光谱学等前沿领域，带领实验室团队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，推动理论发展。
从伊辛机器到量子光子学
在量子技术领域，马兰迪的主要研究方向是“利用光量子实现基于简并光参量振荡器的量子计算”。从他的博士论文中，我们可以找到他研究这个方向的初衷。在Marandi的博士论文《用于光谱复制和量子光学的频率梳的次谐波产生》中，他介绍了一种利用商用近红外光源产生次谐波产生带宽中红外频率梳的新方法——构造简并光参量振荡器。实验结果表明，基于简并光参量振荡器的方法具有设置简单、功耗低、转换效率高的优点。
在实验研究中，Marandi指出简并参量振荡器产生二次振动波的过程中发生了有趣的量子行为，为频率梳态下的光量子实验提供了重要支持。基于这一发现，马兰迪开始在光参量振荡器和光量子技术领域做了大量工作。
彼得·麦克马洪和访问研究员阿里雷扎·马兰迪
斯坦福大学是连贯伊辛机器学校的发源地。2011年，斯坦福大学的山本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，马兰迪获得博士学位后，选择加入山本教授在斯坦福的研究小组，跟随山本教授在这一领域进行深入探索。
正是在这种学术渊源下，马兰迪参与并见证了相干伊辛机光学计算的逐渐成熟。
2013年，马兰迪、汪哲、凯文、罗伯特拜尔等人提出，利用一种叫做简并光学参量振荡器的网络，利用非线性光学晶体，构建一个相干伊辛机器。因此，相干伊辛机的量子神经网络进入了快速发展阶段[3]。
2014年，Marandi、Rober Byer和Yamamoto教授在实验中首次演示了光耦合的时分复用OPO[4]；2016年，Marandi和研究团队演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的团队再次证明，通过延长反馈回路和降低光学棱镜的反射率，可以产生更小、更低成本和更高效的光脉冲源，从而提高相干Ising机的广泛可扩展性[6]。
2019年，Marandi负责加州理工学院和NTT研究所的联合项目“利用光学参量振荡器网络开发多体系统有效量子模拟的可扩展架构”。同年，马兰迪因“对非线性光子学的贡献，尤其是在OPO计算、光学伊辛机演示和中红外频率梳的半谐波产生方面的开创性工作”获得了激光物理和光子学会颁发的青年科学家奖。
为了充分利用非线性光学谐振腔，近年来，Marandi带领团队探索了对其底层物理原理的认知。在这项工作中，基于铌酸锂构建光学谐振腔成为Marandi团队的主要研究方向之一。
2022年3月，Marandi的团队在《科学》杂志上发表了最新研究成果:片上双共振OPO在高达3.25 m的宽波长范围内调谐，足以覆盖几个重要分子的吸收区域。此外，团队还通过实验证明了一种新的双共振OPO设计方法，可以避免三共振构型和线性腔振荡器中的诸多挑战[7]。团队还在纳米光子铌酸锂波导中将准相位匹配与色散工程相结合，实现了强光参量放大，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]。
同时，Marandi的团队还通过构建高度可扩展且易于重置的时间复用光谐振器网络，实验证明了一维、二维晶格具有隔离耗散率的鲁棒拓扑边态[9]。
马兰迪说:“拓扑耗散的概念将成为光量子系统的另一个资源。我们的新研究将为设计耗散系统提供新方法，可用于设计量子存储器、光子传感器和拓扑放大器等器件。”
作为一名年轻的量子前沿科学家，马兰迪正带领团队在光量子计算领域开发更多的研究成果。
参考:
【1】https://www . Caltech . edu/about/news/illuminating-new-abilities-interview-alireza-marandi-84048
【2】https://news . Stanford . edu/2018/02/02/new-source-found-超短脉冲-光/
【3】王哲，，等，“基于简并光学参量振荡器的相干伊辛机”，物理学报A 88
【4】作为相干伊辛机的时分复用光参量振荡器网络
【5】彼得·l·麦克马洪，等，“一个全可编程的100自旋相干伊辛机，具有全对全连接”，《科学》2010年10月20日
【6】田崎敬浩·稻垣等人，“用于2000节点优化问题的相干伊辛机”，《科学》2004年11月4日
【7】Luis Ledezma等人，“铌酸锂纳米光子学中的宽调谐光学参量振荡器”科学，3月3日
【8】Luis Ledezma等人，“色散工程纳米光子铌酸锂波导中的强光学参量放大”Optica
【9】Christian Leefmans等人，“时分复用光子谐振器网络中的拓扑耗散”自然物理
编译:王燕/李梅
编辑:王燕
