胡嘉仲：向困擾學(xué)界30年余難題挑戰(zhàn)，發(fā)明新的激光冷卻方案，200毫秒內(nèi)可讓制備冷原子速度提升約100倍 | 創(chuàng)新35人專(zhuān)欄

1 月 22 日，由 DeepTech 攜手絡(luò)繹科學(xué)舉辦的“MEET35：創(chuàng)新者說(shuō)”論壇暨“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”2021 年中國(guó)線上發(fā)布儀式成功舉行。

來(lái)自科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的人士在云端共同見(jiàn)證了新一屆中國(guó)青年科技領(lǐng)軍人物登場(chǎng)。

作為“遠(yuǎn)見(jiàn)者”入選的胡嘉仲主要專(zhuān)注于量子計(jì)算和量子模擬的研究。其因開(kāi)發(fā)出一種新的激光冷卻方案，實(shí)現(xiàn)了只通過(guò)激光冷卻技術(shù)就使得原子達(dá)到玻色愛(ài)因斯坦凝聚，成功入選“創(chuàng)新 35 人”。

獲獎(jiǎng)時(shí)年齡：33 歲

獲獎(jiǎng)時(shí)職位：清華大學(xué)物理系副教授

獲獎(jiǎng)理由： 2017 年，攻讀博士期間，胡嘉仲發(fā)明了一種全新的激光冷卻方案，優(yōu)化了各項(xiàng)激光的頻率選擇和構(gòu)形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了只通過(guò)激光冷卻技術(shù)就可以使得原子達(dá)到玻色愛(ài)因斯坦凝聚，解決了困擾物理學(xué)界三十年的難題。

2019 年，回到清華大學(xué)建設(shè)新的量子計(jì)算和量子模擬研究團(tuán)隊(duì)，并專(zhuān)注于利用冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行量子調(diào)控技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)工作。同年 2 月，胡嘉仲成功將機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)應(yīng)用到量子模擬之中，并且通過(guò)圖像識(shí)別的手段分析出了量子多體現(xiàn)象。同年 5 月，胡嘉仲通過(guò)使冷原子實(shí)驗(yàn)體系和極端相對(duì)論加速環(huán)境達(dá)成同構(gòu)，成功觀測(cè)到了霍金輻射和對(duì)應(yīng)的量子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。

2011 年，胡嘉仲畢業(yè)于清華大學(xué)，并榮獲清華大學(xué)最高榮譽(yù)“特等獎(jiǎng)學(xué)金”，后又在麻省理工學(xué)院讀博深造，學(xué)業(yè)導(dǎo)師為 2001 年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主沃夫?qū)た颂乩眨╓olfgang Ketterle）。

2019 年，他回到清華大學(xué)創(chuàng)建了新的量子計(jì)算和量子模擬研究團(tuán)隊(duì)。

胡嘉仲目前聚焦于量子計(jì)算和量子模擬的研究，具體方向?yàn)槔美湓訉?shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行量子調(diào)控技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)工作。2019 年 3 月 27 日，他首次提出了一種全新的量子模擬方式，并以第一作者兼通訊作者身份，將題為《安魯輻射的量子模擬》（Quantum simulation of Unruh radiation）的研究成果發(fā)表在 Nature Physics 上[1]。

他所提出的量子模擬方式，之所以被稱(chēng)為“全新”的量子模擬方式，主要因?yàn)樗麨榱孔佑?jì)算和量子模擬方向創(chuàng)造了一個(gè)新的可能性。

在此之前，大部分研究者的量子模擬思路是研究某個(gè)材料的性質(zhì)或一個(gè)物理問(wèn)題時(shí)，就去構(gòu)造一個(gè)人工的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的描述形式與其要研究的對(duì)應(yīng)物理問(wèn)題以同一套物理機(jī)制來(lái)描述，然后對(duì)這個(gè)人工合成的結(jié)構(gòu)直接做實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，進(jìn)而了解這種模擬結(jié)果。

“那么，我們這一次做的是不再將量子模擬體系的時(shí)間演化想成一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)隨著時(shí)間發(fā)生變化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而是把動(dòng)力學(xué)演化想象成類(lèi)似于一個(gè)空間坐標(biāo)變換的過(guò)程。

也就是讓原先的一個(gè)平滑空間隨著它的動(dòng)力學(xué)演化，它所對(duì)應(yīng)的空間度規(guī)或者曲率半徑就會(huì)不斷的增大，它的描述形式就會(huì)對(duì)應(yīng)成一個(gè)具有時(shí)空曲率的彎曲空間?！焙沃僬f(shuō)。

因此，這使得研究人員可以使用冷原子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)去量子模擬曲率時(shí)空，或者強(qiáng)引力場(chǎng)下的量子物理效應(yīng)。在這樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，胡嘉仲觀測(cè)到了霍金輻射和其對(duì)應(yīng)的量子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。

相比使用宇宙學(xué)或高能對(duì)撞機(jī)的手段，胡嘉仲的量子模擬方案可以使物理學(xué)家在一張 2 平米的桌子上，就能研究高能物理或者強(qiáng)引力作用下對(duì)應(yīng)的量子物理現(xiàn)象。

同年，胡嘉仲就使用圖像識(shí)別算法應(yīng)用于量子多體物理系統(tǒng)。根據(jù)圖像識(shí)別的指引，胡嘉仲團(tuán)隊(duì)成功發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)波的高諧波產(chǎn)生效應(yīng)，同時(shí)也在特征圖像的指引下觀測(cè)到了高階非平庸量子關(guān)聯(lián)性。這是首次嘗試將機(jī)器學(xué)習(xí)的想法和量子模擬的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了結(jié)合和交叉發(fā)展，也是首次由算法進(jìn)行指導(dǎo)量子物理的研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)。

胡嘉仲這一發(fā)現(xiàn)為很多量子模擬研究工作者提供了一些新的啟發(fā)，該研究工作出來(lái)之后，受到頗受人們歡迎，很多研究工作都在引用胡嘉仲的研究成果。

向困擾學(xué)界30年余難題發(fā)起挑戰(zhàn)，發(fā)明“新的激光冷卻方案”

胡嘉仲一直堅(jiān)信，“作為一名量子物理學(xué)的研究者，首先要敢想，其次是敢做?！闭沁@種敢為天下先的科研精神，胡嘉仲選擇了一條艱難的路，向困擾學(xué)界30年余難題發(fā)起挑戰(zhàn)。

其實(shí)，激光冷卻方案的發(fā)展歷史可以追溯至19世紀(jì)80年代末或90年代初，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們希望用激光冷卻的方案讓原子達(dá)到玻色愛(ài)因斯坦凝聚，即在非常低溫的環(huán)境底下形成了一種新的量子物態(tài)，但是科學(xué)界一直沒(méi)有成功達(dá)到目標(biāo)。

到了 1995 年，科學(xué)家們換了一種完全不同的方案，通過(guò)蒸發(fā)冷卻方案才使得原子達(dá)到玻色愛(ài)因斯坦凝聚。

也就是說(shuō)，原先的那條技術(shù)路線在科學(xué)界走了很長(zhǎng)的時(shí)間，但是一直沒(méi)走通，換了另一條路線后，才實(shí)現(xiàn)了玻色愛(ài)因斯坦凝聚。

因此，2001 年，諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了玻色愛(ài)因斯坦凝聚。

后來(lái)，又有科學(xué)家提出，希望用激光冷卻方案來(lái)解決此問(wèn)題，一直未能如愿。為了解決上世紀(jì) 80 或 90 年代遺留下的難題，胡嘉仲希望能在此基礎(chǔ)上做一個(gè)創(chuàng)新。他分析了一些過(guò)往研究失敗的原因，主要對(duì)原子和原子之間碰撞的分子能級(jí)，進(jìn)行了更加詳細(xì)的測(cè)量和掃描。

然后，對(duì)原先研究者嘗試的多種冷卻方案的一些參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，胡嘉仲表示：“相當(dāng)于我們?cè)谠瓉?lái)的參數(shù)上尋找了自己新的參數(shù)空間，并且在測(cè)量精度上以及調(diào)控精度上，我們也做了更準(zhǔn)確、更精密的測(cè)量，之后選擇了更合適的方案，最終克服了 30 余年的難題。”

通過(guò)激光冷卻的手段在 200 毫秒內(nèi)，可讓制備冷原子的速度提升

結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)，胡嘉仲開(kāi)發(fā)了一種新的激光冷卻方案，優(yōu)化了各項(xiàng)激光的頻率選擇和形狀設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了只通過(guò)激光冷卻技術(shù)就使得原子達(dá)到量子簡(jiǎn)并狀態(tài)。

胡嘉仲以第一作者兼通訊作者身份，將題為《通過(guò)激光冷卻產(chǎn)生 87Rb 的玻色凝聚氣體》（Creation of a Bose-condensed gas of 87Rb by laser cooling）的相關(guān)研究成果發(fā)表在 Science 上。

胡嘉仲所提出的新的激光冷卻方案，可以使得冷原子量子模擬這樣的體系，在制備冷原子的時(shí)候周期更快。

胡嘉仲表示：“原先的蒸發(fā)冷卻通常需要10秒才能使得原子碰撞不斷地降溫，但我們通過(guò)激光冷卻的手段可以在 200 毫秒，就能讓制備冷原子的速度提升約 100 倍，來(lái)制備這個(gè)樣品，這樣也使得我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的時(shí)候重復(fù)的周期也更快?！?/span>

新的激光冷卻方案其實(shí)是抑制了兩個(gè)原子之間的一個(gè)分子碰撞，這一項(xiàng)技術(shù)還被應(yīng)用學(xué)術(shù)研究，為目前分子的激光冷卻的操縱以及抑制它的損耗提供了一種新思路。

也就是說(shuō)，人們可以通過(guò)選擇合適的幾何構(gòu)型和一些合適的技術(shù)參數(shù)或者激光頻率來(lái)抑制這些損耗，使得分子也可以通過(guò)激光來(lái)進(jìn)行一些冷卻。

對(duì)于入選“創(chuàng)新 35 人”，胡嘉仲表示，“非常榮幸入圍，讓我有這么一次機(jī)會(huì)與更多優(yōu)秀的青年科研工作者同行，一起深入溝通，借此平臺(tái)也了解到他們?cè)谧鍪裁词?，也讓我認(rèn)識(shí)到更多的技術(shù)發(fā)展與科學(xué)之進(jìn)步。”

未來(lái)，胡嘉仲的主要研究方向?qū)⒕劢挂韵聝蓚€(gè)方向：

一是冷原子的量子輸運(yùn)性質(zhì)以及該方向是否存在一些新奇物態(tài)，在微重力環(huán)境下了解新奇的或者從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)的一些量子物態(tài)，研究它們究竟是什么樣的形式，如何產(chǎn)生的以及具有什么樣的物理性質(zhì)。

二是想要以原子為載體讓它去存儲(chǔ)具有量子性的信息，使得量子信息相互之間進(jìn)行攜帶，然后進(jìn)行相互之間的處理，甚至轉(zhuǎn)化到光子身上，進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳遞，從而產(chǎn)生或進(jìn)行對(duì)量子信息的處理。