量子前沿英雄譜｜既研究陶藝，也研究光量子：Hideo Mabuchi

斯坦福大學應用物理學教授、量子反饋控制領域著名科學家

Hideo Mabuchi

教授

（圖片來源：

斯坦福大學

）

Hideo Mabuchi，美國物理學家，斯坦福大學應用物理學教授、Mabuchi實驗室負責人，量子光學、量子反饋控制領域的科學家之一。

一腳踏入光量子計算

1992年的夏天，Mabuchi剛從普林斯頓大學物理學專業畢業進入加州理工大學攻讀碩士學位，在尋找研究方向的過程中，Mabuchi為Eugene Simon Polzik教授的研究專案所吸引從而加入其實驗室。由此，Mabuchi從物理基礎學科踏入量子光學的世界。

在接下來的三年多時間裡，Mabuchi進行了大量關於量子光學基礎領域的實驗，包括雙光子壓縮實驗，腔量子電動力學實驗新正規化研究等。這些實驗經驗為他研究量子光學奠定了堅實的基礎。

其中，在1995年，Mabuchi與奧地利理論物理學家Peter Zoller在《物理評論快報》上發表《Inversion of Quantum Jumps in Quantum Optical Systems under Continuous Observation》（連續觀測下量子光學系統中的量子躍遷反演

）

一文，闡述了使用腔量子電動力學和離子阱技術的原理驗證，並提出了一種量子計算糾錯的新發現。自此，Mabuchi正式開啟了量子計算的研究之旅。

在攻讀博士期間，

Mabuch

i

師從量子科學家H。 Jeff Kimble，於量子網路、量子通訊、量子資訊處理等領域開展了系統的研究。1998年，在尚未完成物理學博士學業之前，Mabuchi憑藉出色的研究和學術能力被聘任為加州理工大學助理教授，承擔物理測量與控制學科教學工作。

2007年以來，Mabuchi進入斯坦福大學擔任應用物理學教授，並曾在2010-2015年間擔任斯坦福大學應用物理系主任。

早期，Mabuc

hi主要研究的領域涵蓋理解開放量子系統、量子測量以及量子-經典躍遷等

。

早在2000年，

美國《發現》雜誌將

Mabuch

i

評為未來二十年值得關注的二十

位科學家

之一；

同年，M

abuchi獲得了MacArthur獎。

彼時

，年僅29歲的Mabuchi已在光學量子科研領域鋒芒初露，MacArthur基金會表示：

“

Mabuchi

使用光學的方法擴

展了我們對量子行為的理解”。

值得一提的是，在此之前，

Mabuchi就已開創了一種在開放系統中進行實時測量量子效應的方法，並將這種測量反饋方法應用於控制量子相互作用取得顯著成果。

此外，Mabuchi還進行了熱力學與量子行為關係的研究，以尋找將雙方的相互作用特點應用於實際用途的可能。目前，這一研究成果在生物大分子（如酶等）構建方面發揮了重要作用。

探索用量子測量反饋作為計算的方案

在斯坦福大學期間，Mabuchi領導實驗室小組在量子光學領域開展了一系列系統而深入的研究。

近些年來，Mabuchi的研究小組轉向了量子工程的基本問題研究，主要涵蓋量子非線性動力學、量子反饋控制和量子模型簡化。同時，其團隊還在單分子生物物理學、量子資訊科學和量子材料方面開展了大量工作。

在基於測量和相干反饋量子控制研究領域，Mabuchi研究小組專注於探索相干反饋在阿焦耳/量子奈米光子學合成新功能行為方面的應用，以及在全光資訊處理架構中用反饋進行計算（包括量子計算機和相干伊辛機）

。其小組在該領域取得了眾多研究成果：

2012年，Mabuchi小組提出了一種將諧振器嵌入到干涉儀中實現全光反饋的相干反饋冷卻量子振盪器方案。在確保量子保真度的同時，他們證明了在低穩態激發次數以及量子區測量方面，該方案優於當前最佳的基於線性二次高斯測量的方案。

2013年，Mabuchi研究小組提出了一種以不同相干量子反饋配置排列的簡併光學參量振盪器（DOPO）輸出的壓縮光和反壓縮光的方案。在該方案中採用一個OPO控制另一個OPO，證明了相干量子反饋技術可被設計用於控制OPO輸出的光學量子特性，由此為相干伊辛機構建奠定了重要基礎。

2019年，Mabuchi研究小組在斯坦福大學Yoshihisa Yamamoto教授的領導下，提出了使用糾纏交換在相干伊辛機器內產生糾纏脈衝的方案，一反以往量子自旋過程中不產生糾纏的問題，推動相干伊辛機利用糾纏資源進行計算成為可能。

Mabuchi指出，反饋控制在量子技術領域扮演著極其重要的角色，量子反饋控制的新應用已經出現在先進的技術發展中。

現在，以測量-反饋為代表的技術方案正推動相干伊辛機量子計算系統發展進入第三階段，預計將在較短時間內就能投入實用化的場景中。

多年來，Mabuchi領導的研究專案獲得了眾多組織機構的資金支援，包括美國國家科學基金會、美國國立衛生研究院、NTT Research、DARPA、ONR、ARO、AFOSR和NSA等。

2016年以來，

Mabuchi

擔任量子科學與技術期刊（IOP）編委，同年，其領導的《用於最佳化、機器學習和神經形態計算的相干伊辛機器》研究專案獲得美國國家科學基金會INSPIRE獎支援。

伴隨量子計算科學發展突飛猛進，Mabuchi在量子計算與神經網路交叉學科領域進行了深入研究。2019年，在NTT Research與斯坦福大學達成聯合研究協議的專案中，Mabuchi擔任負責人，與NTT Research PHI實驗室共同開發新型光學和超導器件，以研究量子到經典的交叉物理和量子神經網路中的臨界現象。

2020年，Mabuchi與NTT Research PHI實驗室主任Yamamoto教授的研究成果《Coherent Ising machines—Quantum optics and neural network》（相干伊辛機：量子光學與神經網路觀點

）發表於《Applied Physics Letters》，

創造性提出了一個跨學科研究的新領域——量子神經網路相干伊辛機。文章對量子神經網路相干伊辛機和傳統計算機科學技術進行了詳細定性類比，以及論證其在解決組合最佳化問題方面的巨大優勢。

Mabuchi表示：“費曼指出，用經典計算機來預測理想的量子系統的行為似乎是個難題，隨之而來的一個猜想是，理想的量子系統可以被設計出來，從而解決經典計算機難以解決的特定問題。現在

在實驗觀察中已表明，量子計算系統的算力指數級提升是可能的。量子計算作為實驗物理某些領域的一種設計原則，正在產生最直接的影響。

”

科學之外的藝術浪漫

在量子光學科研之外，Mabuchi還是一位自學成才的陶藝家，其愛好是製作陶器雕塑以及表面紋理藝術。

（圖片來源：網路）

在成立工作室的同時，Mabuchi專注於用柴燒法和編織拋擲以創作粗陶器皿。

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buchi

還將其陶藝愛好與其在斯坦福的教學工作進行了很好的結合，不僅在斯坦福大學校園內建造了吹灰窯並且舉辦多場陶藝展。

Mabuchi表示，“我對科學與工藝之間的聯絡很感興趣。手工藝人對火有著非常實際的理解，因為在反覆地動手實踐中他們認知到如何獲得想要的結果。如此反觀，在當前的

本科和研究生學習階段，應用物理學正在變得越來越抽象和理論化，我們需要思考將工藝的本質帶回到物理和工程領域。

”

近年來，Mabuchi致力於開發新的教學方法：將陶藝與科學和人文研究相結合，以及將工藝引入到通識本科教育的核心層面。在這個過程中，他正在嘗試利用高溫成像和光學/電子顯微鏡方法在燃木陶瓷的顏色形成物理學方面開展新研究。

編譯：

王衍

/李每

編輯：王衍