量子前沿英雄谱|激光界泰斗Robert Byer（罗伯特·拜尔）

著名物理学家、美国国家科学院院士和国家工程院院士斯坦福大学应用物理系教授Robert L. Byer

（图片来源：网络）

激光在今天无处不在。没有他们，现代社会就无法运转。

激光使自动驾驶汽车能够感知周围环境，并使外科医生能够矫正视力。典型的智能手机包含数百个微型激光器。全世界的数字和互联网通信，需要将蜂窝和Wi-Fi信号转换为激光脉冲，这些激光脉冲将通过光纤电缆被推送到远处的手机信号塔和网络服务器。

（图片来源：Misha Bruk）

在激光技术领域，美国著名物理学家Robert L. Byer（罗伯特·L·拜尔）是最权威的泰斗之一，他的职业生涯漫长而辉煌。他曾担任斯坦福大学应用物理系教授、光子学研究中心联合主任，也是美国国家工程院院士和美国国家科学院院士、IEEE激光和光电学会主席、美国光子学学会主席、美国物理学会主席等要职。在近六十年的时光里，Robert L. Byer在非线性光学与激光领域做出了极其卓越与非凡的贡献，大大推动了激光器从空间科学到电子制造等领域的广泛应用。

与激光的“奇妙邂逅”

Byer与激光结缘更像是一场“奇妙的邂逅”。

故事起源于1964年，一家叫做Spectra Physics的公司。这个公司在当时还仅是一家由12位同事组成的小团队。现在它是闻名遐迩的全球第一家商业激光公司，我们每天在商店、超市里面看到的扫描条形码结账的红色激光器，就是他们的产品。

此时，22岁的Byer刚从加州大学伯利克利分校本科毕业，前往该公司面试。他走进去发现一个空荡荡的大厅，但能听到大楼后面的掌声和欢呼声。礼貌地等了几分钟后，他跟着骚动来到了一间黑暗的房间，里面挤满了人，一根红橙色的光柱似乎漂浮在一张摆满仪器的桌子上方。

Byer刚好赶上并亲眼见证了该团队研制出其第一台可见激光器的振奋人心时刻——“他们欢腾的脸庞被一根红橙色的光柱照亮，它又弱又暗，却又那么迷人。”聚集在一起的物理学家和工程师们刚刚打开了第一台电离气体激光器，沉浸在喜悦的光芒中。

那迷人的光芒改变了Byer的人生轨迹。他拒绝了先前在故乡南加州的帕萨迪纳找到的工作，当天接受了 Spectra Physics 的职位，成为这个公司第13号员工，从此走上了激光科学研究的道路。

Spectra-Physics 的公司的早期商用激光器，波长 632.8 nm（红色），重 10 磅，售价 1525 美元。（图片来源：Spectra-Physics公司）

一年以后，为了进一步研究激光，Byer离开公司去斯坦福大学读研究生，师从Stephen Harris（斯蒂芬·哈里斯）教授，开发不同颜色和特性的激光器。1967年，Byer和导师开发出了第一个可见的、可调谐的红色激光，即波长可以控制的激光。随后他通过将绿色激光引导通过非线性晶体，开发了第一个可见的可调谐的红色激光。这是激光光谱学的重要进展之一，意味着激光将能够服务于离子阱、原子钟的、钠导星探测等对波长需要精确控制的应用领域，Byer也由此成为激光器领域的关键奠基者之一。

1969年，在获得斯坦福大学应用物理学博士学位后，他被聘任为斯坦福大学应用物理系助理教授，并在斯坦福大学进行激光和非线性光学研究并教授课程，开始了超过半个世纪的学术之旅。

非线性光学与固态激光器领域的探路者

1972年，为了表彰Byer对光学做出的贡献，美国光学学会授予其Adolph Lomb奖章，这是美国光学学会表彰35岁以下年轻科学家的专门奖项。

这一时期，Byer开始进行利用可调谐激光源遥感的研究，从而大大推动了Q 开关不稳定谐振器Nd:YAG激光器以及红外参数调谐器的研制与发展。1974年，Byer还发起了相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)的研究，并研究出使用可调谐红外源的遥感和使用相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)的精密光谱。

1977年，Byer开发出了200mJ不稳定谐振腔Nd:YAG振荡器。接着他与团队开发出了一种用于大气遥感的Nd:YAG泵浦LiNbO3可调谐红外OPO并完成了商业化，现在该产品已广泛应用于二氧化硫、一氧化碳、甲烷、水和大气温度等遥感监测。

在商业化上，Byer于1984年创办了一家名为Lightwave Electronics的公司，他在这里研制出了一种二极管泵浦固态激光器（Diode Pumped Nd:YAG (NPRO)），并实现了商业化。同年，基于对这种二极管泵浦固态激光器的研究与改进，Byer发明出了绿色激光笔。由于极管泵浦光纤激光器的出现，带来了更高的平均功率和更好的效率。现在，二极管泵浦固态激光器已占据了全球激光器市场的50%以上，而绿色激光笔也成为今天的激光笔市场中最受欢迎的类别，并广泛应用于天文观测、建筑施工、户外救援、甚至是课堂教学等日常生活场景中，真正进入了千家万户。

在迄今为止所取得的 50 多项专利中，Byer最喜欢的仍然是他这个绿色激光笔专利，因为它直接源于学生在课堂上提出的问题，最后又回归到课堂上为学生们提供指引。

绿色激光笔被广泛应用于天文观测、建筑施工、户外救援、甚至是课堂教学等日常生活中

（图片来源：网络）

在LIGO中展示激光的力量

1988年，美国最重要也是最前沿的基础研究项目之一——“激光干涉引力波天文台”（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ，LIGO)还在策划中， Byer就说服了项目的负责人，也就是日后的诺贝尔奖获得者 Rainer Weiss（雷纳·韦斯）采用了自己的激光方案，深度参与到其中。

LIGO的使命就是发现和证实神秘的引力波，并将引力波观测发展为一种天文工具。其原理是把引力波扫过导致的激光臂的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化。LIGO是人类有史以来最精确的测量设备，能探测到一个质子半径的半分之一尺度的长度变化。其核心激光器及芯片等由Byer率团队研制。2000年，Byer团队开发出了开发出了世界上最安静、最稳定的二极管泵浦YAG激光器，用作LIGO引力波探测仪器的主光束。

LIGO的原理示意图（图片来源：网络）

2015年，LIGO成功的在人类历史上首次探测到了引力波，那是13亿光年外的两个黑洞碰撞引起的微弱时空波动。这个非凡的实验成就于 2016 年 2 月11日正式对外宣布，引起了全球轰动，Rainer Weiss等三人旋即获得了2017年度的诺贝尔奖。

LIGO的测量精度是如此之精确，以致于会受到激光束中的光子的量子特性的限制。在量子水平上，虚粒子在真空中不断涨落，光子会受到相应波动的影响，这些波动可能会导致检测器中出现错误信号。LIGO 的科学家们希望通过“量子压缩”来帮助他们解决虚拟光子问题。

Byer 使用红外观察装置检查近红外激光通过线性晶体的排列。（图片来源：Misha Bruk）

为了产生压缩光，Byer团队的研究人员使用了一种称为光学参量振荡器（OPO，Optical parametric oscillator）的技术，在该技术中，激光的输入波被转换为两个频率较小的输出波。这个过程使成对的光子纠缠在一起，这有助于减少到达光子的一个方向上相位的不确定性，从而使 LIGO 能够更好地测量另一个方向上的相位，帮助他们从噪声中更好的辨别出信号。自2019 年 4 月LIGO开始使用这种“量子压缩”技术升级后，已经能够更频繁地探测到新的引力波信号，从每月大约一次探测到大约每周一次。

伴随着YAG 激光器、OPO、LIGO为代表的一系列伟大科学成就，Byer在学界也获得了极高的声誉和地位，1984-1985年，他出任IEEE激光和光电学会主席；1994-1995年间，担任美国光学学会主席。1996年，凭借在“固态激光器、光学参量振荡器和非线性光学的开创性发明和贡献”，IEEE 激光和电光学会向Byer颁发了量子电子学奖；1998年，Byer获得美国光学学会的RW Wood奖和美国激光研究所的Arthur Schawlow奖。

进入21世纪，Byer在学术界的地位更是越发重要。2000 年，他获得了 IEEE “第三千年”奖章，并入选了美国国家科学院院士，并成为美国国家点火设施（NIF，即激光聚变装置）咨询委员会成员。2008 年，他获得了IEEE光子学奖。2009年，他获得了美国光学学会的弗雷德里克艾夫斯奖章。2012到2013年，Byer担任美国物理学会主席。

（图片来源：网络）

2020年，为了纪念激光发明 60 周年，国际光学和光子学学会SPIE设立了一个新的年度奖项——SPIE Maiman（迈曼）激光奖，这一奖项以激光的发明者 Ted Maiman命名，Byer成为获得该奖的第一人。在非线性光学与固态激光器领域，Byer是被公认的伟大探路者。

加速光量子计算机研制

在当下如火如荼的构建量子计算机的学术竞争中，光量子计算机被公认为是最有希望的技术路线之一。而正是激光，为光量子计算提供了所需的计算资源。在LIGO中大放异彩的光学参量振荡器（OPO），也是构建量子光学系统的关键组成部分。

从1967年Byer与导师一起开发出光学非线性电抗振荡器，成为光学参量振荡器的奠基者以来，Byer在参量振荡器领域的数多年研究对行业产生了深远影响。1969年，Byer的博士毕业论文《Parametric fluoreacence and optical parametric oscillation（参量荧光和光学参量振荡器）》中，Byer详细研究了光参量相互作用的两个方面：自发参量发射和光学参量振荡，并探讨了基于铌酸锂晶体的二次谐波测试方法。

2012年，Byer与研究团队共同发表了《从参量振荡器的固有二进制相位生成全光量子随机比特》一文，探讨了基于OPO实现一种简单、高速的光量子随机数生成器（RNGs）集成芯片的可能。其原理为，称为泵浦光的频率2ω的激光束入射到非线性光学晶体的上，会输出两束频率都为ω的信号光和闲频光，两束光的偏振方向相同，称之为“简并光学参量振荡”。这两束光的状态处于量子力学中光的“压缩态”，可以作为量子计算中的量子比特。

Byer团队通过测量简并光学参量振荡器中的震荡阈值以上的相位，展示了一种基于自发参量下变频随机性的全光量子RNGs新技术，由这种光学系统产生的随机量子比特达到了99%的保真度，并且具有极快的运算潜力。同时他们还验证了，基于简并参量振荡器的全光量子计算机完全不受经典噪声源的影响。

在这些量子光学的基础上，使用光学参量振荡构建的光量子计算机——相干伊辛机（Coherent Ising Machine，CIM）应运而生。与超导、离子阱等使用逻辑门计算架构的其他技术路线相比，CIM是一种完全不同的量子计算机，是了采用光量子耗散式架构，利用量子失谐而不是量子纠缠作为计算资源，更加类似于人脑神经突触的工作模式，天然更适合于形成超大规模的量子神经网络，对环境噪声和错误有很强的抵抗力。

近年来，由于看到CIM的巨大前景，Byer加入了NTT Research PHI 实验室担任杰出科学家，领导开展非线性光学材料和激光二极管泵浦固态激光源等领域的基础研究，以加速相干伊辛机的研制，并为使用简并参量振荡构建量子神经网络做出了重要贡献。