胡嘉仲：向困擾學界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人專欄

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

來自科學界和產(chǎn)業(yè)界的人士在云端共同見證了新一屆中國青年科技領軍人物登場。

作為“遠見者”入選的胡嘉仲主要專注于量子計算和量子模擬的研究。其因開發(fā)出一種新的激光冷卻方案，實現(xiàn)了只通過激光冷卻技術就使得原子達到玻色愛因斯坦凝聚，成功入選“創(chuàng)新 35 人”。

獲獎時年齡：33 歲

獲獎時職位：清華大學物理系副教授

獲獎理由： 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)化了各項激光的頻率選擇和構形設計，實現(xiàn)了只通過激光冷卻技術就可以使得原子達到玻色愛因斯坦凝聚，解決了困擾物理學界三十年的難題。

2019 年，回到清華大學建設新的量子計算和量子模擬研究團隊，并專注于利用冷原子實驗平臺進行量子調(diào)控技術的研究和開發(fā)工作。同年 2 月，胡嘉仲成功將機器學習的技術應用到量子模擬之中，并且通過圖像識別的手段分析出了量子多體現(xiàn)象。同年 5 月，胡嘉仲通過使冷原子實驗體系和極端相對論加速環(huán)境達成同構，成功觀測到了霍金輻射和對應的量子關聯(lián)現(xiàn)象。

2011 年，胡嘉仲畢業(yè)于清華大學，并榮獲清華大學最高榮譽“特等獎學金”，后又在麻省理工學院讀博深造，學業(yè)導師為 2001 年諾貝爾物理獎得主沃夫?qū)た颂乩眨╓olfgang Ketterle）。

2019 年，他回到清華大學創(chuàng)建了新的量子計算和量子模擬研究團隊。

胡嘉仲目前聚焦于量子計算和量子模擬的研究，具體方向為利用冷原子實驗平臺進行量子調(diào)控技術的研究和開發(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，之所以被稱為“全新”的量子模擬方式，主要因為他為量子計算和量子模擬方向創(chuàng)造了一個新的可能性。

在此之前，大部分研究者的量子模擬思路是研究某個材料的性質(zhì)或一個物理問題時，就去構造一個人工的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的描述形式與其要研究的對應物理問題以同一套物理機制來描述，然后對這個人工合成的結構直接做實驗觀測，進而了解這種模擬結果。

“那么，我們這一次做的是不再將量子模擬體系的時間演化想成一個真實系統(tǒng)隨著時間發(fā)生變化的動力學過程，而是把動力學演化想象成類似于一個空間坐標變換的過程。

也就是讓原先的一個平滑空間隨著它的動力學演化，它所對應的空間度規(guī)或者曲率半徑就會不斷的增大，它的描述形式就會對應成一個具有時空曲率的彎曲空間。”胡嘉仲說。

因此，這使得研究人員可以使用冷原子實驗平臺去量子模擬曲率時空，或者強引力場下的量子物理效應。在這樣的實驗平臺上，胡嘉仲觀測到了霍金輻射和其對應的量子關聯(lián)現(xiàn)象。

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

同年，胡嘉仲就使用圖像識別算法應用于量子多體物理系統(tǒng)。根據(jù)圖像識別的指引，胡嘉仲團隊成功發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)波的高諧波產(chǎn)生效應，同時也在特征圖像的指引下觀測到了高階非平庸量子關聯(lián)性。這是首次嘗試將機器學習的想法和量子模擬的實驗進行了結合和交叉發(fā)展，也是首次由算法進行指導量子物理的研究和技術開發(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”

胡嘉仲一直堅信，“作為一名量子物理學的研究者，首先要敢想，其次是敢做。”正是這種敢為天下先的科研精神，胡嘉仲選擇了一條艱難的路，向困擾學界30年余難題發(fā)起挑戰(zhàn)。

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

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

也就是說，原先的那條技術路線在科學界走了很長的時間，但是一直沒走通，換了另一條路線后，才實現(xiàn)了玻色愛因斯坦凝聚。

因此，2001 年，諾貝爾物理獎頒發(fā)給了玻色愛因斯坦凝聚。

后來，又有科學家提出，希望用激光冷卻方案來解決此問題，一直未能如愿。為了解決上世紀 80 或 90 年代遺留下的難題，胡嘉仲希望能在此基礎上做一個創(chuàng)新。他分析了一些過往研究失敗的原因，主要對原子和原子之間碰撞的分子能級，進行了更加詳細的測量和掃描。

然后，對原先研究者嘗試的多種冷卻方案的一些參數(shù)進行了優(yōu)化，胡嘉仲表示：“相當于我們在原來的參數(shù)上尋找了自己新的參數(shù)空間，并且在測量精度上以及調(diào)控精度上，我們也做了更準確、更精密的測量，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

結合前人的經(jīng)驗，胡嘉仲開發(fā)了一種新的激光冷卻方案，優(yōu)化了各項激光的頻率選擇和形狀設計，從而實現(xiàn)了只通過激光冷卻技術就使得原子達到量子簡并狀態(tài)。

胡嘉仲以第一作者兼通訊作者身份，將題為《通過激光冷卻產(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，來制備這個樣品，這樣也使得我們在實驗的時候重復的周期也更快?！?/span>

新的激光冷卻方案其實是抑制了兩個原子之間的一個分子碰撞，這一項技術還被應用學術研究，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，人們可以通過選擇合適的幾何構型和一些合適的技術參數(shù)或者激光頻率來抑制這些損耗，使得分子也可以通過激光來進行一些冷卻。

對于入選“創(chuàng)新 35 人”，胡嘉仲表示，“非常榮幸入圍，讓我有這么一次機會與更多優(yōu)秀的青年科研工作者同行，一起深入溝通，借此平臺也了解到他們在做什么事，也讓我認識到更多的技術發(fā)展與科學之進步?！?br />
未來，胡嘉仲的主要研究方向?qū)⒕劢挂韵聝蓚€方向：

一是冷原子的量子輸運性質(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沒有見到過的一些量子物態(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具有量子性的信息，使得量子信息相互之間進行攜帶，然后進行相互之間的處理，甚至轉化到光子身上，進行遠距離的傳遞，從而產(chǎn)生或進行對量子信息的處理。