专访澳大利亚国立大学Daniel Shaddock教授：以更加灵活、精密的科学手段探索“光学世界”
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作者:北京埃光科技
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发布时间: 2024-08-30
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作为引力波探测实验中的关键技术人员，来自澳大利亚国立大学的Daniel Shaddock教授曾带领研究团队，实现了微弱信号的高精度探测及信号反演处理，进而促成了激光干涉仪引力波天文台的建设。而作为Liquid Instruments的创始人，Daniel Shaddock教授也热衷于向世界各国研究人员提供最为便捷先进的测量支持。在此次访谈中，他将向我们讲述引力波探测过程中发生的故事，并探讨电子测量领域未来的发展动态及趋势。引力波被认为是“时空的涟漪”，它能够向我们传递数十亿年前宇宙的信息。作为广义相对论实验验证领域内的“最后一块拼图”，引力波信号一直因极其微弱而难以测量。长距离的激光干涉作为放大引力波信号的最有效手段，也成为了各国科学家的首选，2017年诺贝尔物理学奖授予引力波探测工作也印证了它的重要性。作为这项工作的主要参与者，您认为高精度数据采集的困难在哪，您又是如何带领团队攻克这些困难的？
A1 : 引力波探测是全球数以千计科学家和工程师数十年不懈努力的成果。毫不夸张地说，这是当代实验物理学的伟大成就之一。建造一个具有超高灵敏度，乃至可以测量到极弱信号的探测器，这项工作推动了从高功率激光器到低损耗涂层、镜面抛光、振动隔离和量子光学等多个技术领域的显著进步。我的研究重点是精密干涉仪、光学计量和激光稳频技术。我认为，20 世纪80 、90 年代是令人精神为之振奋的创新时代，在这一时期里，我有很多机会去尝试新事物，实现一些可以说是“疯狂”的想法。我非常享受从事早期的原理验证工作，在这个过程中，可以暂时忽略现实操作的限制，而将重心转向创造新事物上。我们在受到量子力学定律限制的领域中工作，并试图找到这些定律中的漏洞，将灵敏的测量结果推向极限超越这些限制，回想起来，这确实是一件令人兴奋的事情。然而，将这些想法付诸实践，并将其转化为可操作的实际应用，则需要严密的规划和长期的专注，这是我所认为项目中最具挑战性的部分。我注意到，您近期的工作仍然与引力波探测领域紧密相关，这些工作都对极微弱信号的高精度测量提出了极端的要求。您能否向阅读此文的读者简要介绍您最新的研究成果？
A2: 是的，但我最近的研究兴趣，已经从地面探测器转向了天基探测器。当我第一次听说 LISA 项目时，我认为在太空中建造引力波探测器的想法，简直如图痴人说梦一般。LIGO 探测器可能是人类有史以来尝试过的最复杂的测量仪器，而将一个拥有数千个测量通道的系统送入太空，让它在自我调节的前提下，在轨运行十年而无需直接人为干预，这显然是一个挑战。2000年前后，正值一个创新理念喷涌而出的时代，我恰在那时加入JPL，并开始参与LISA项目。尽管高层次上的探测目标相同，并且都使用激光干涉测量作为核心测量技术，但LISA和LIGO探测器的工作方式却大相径庭。LIGO使用高功率激光和低损耗反射镜形成谐振腔；而LISA则以百万公里量级的臂长和皮瓦量级的高动态范围激光进行计量，这就需要开发一系列全新的技术，比如延时干涉测量法和超精密相位计。我很享受推动弱光相位极限测量工作取得突破的过程，也同样着迷于利用数字信号处理技术，满足LISA在测量方面所需实现的强大功能及灵活性。引力波信号的探测需要极高精度的电子采集系统，请问您认为影响这一领域里程碑式的技术是什么？同时，我也知道，您创办了Liquid Instruments，这是一家致力于高精度科学测试测量仪器开发的公司。您创办这家公司的初衷是什么？贵公司相关的技术产品在应对引力波探测领域未来挑战时的优势有哪些？
A3: 对于电子测量采集系统而言，FPGA当属一项重要的技术，它的出现确实使我改变了解决测量问题的方式。我还记得学生时代第一次使用 MATLAB进行模拟实验，或数据后处理时的情景，它也在那之后成为了我不可或缺的工具。但与MATLAB不同，FPGA可以对真实世界的信号进行实时处理，而无需在计算机上进行仿真。实时运行算法，并对其进行修改和调整，时至今日，我仍然感觉它就像是一种“超能力”。我们最初使用 FPGA 为 LISA 以及后来NASA 的GRACE Follow-on 项目，构建 "软件定义"仪器。当我们完成GRACE Follow-on 测量的时候，我们意识到这项技术不仅对于卫星仪器有巨大帮助，对于地球上的许多工程师来说也具有广泛的应用前景，于是我们萌生了成立Liquid Instruments公司的想法，我们希望通过开发这项技术，为传统测试设备带来全新的灵活性。我们相信，如果能够帮助科学家和工程师更高效地工作，这将能够同时加速不同领域内多项全新技术的开发工作，并将对世界产生巨大的影响。因此，我们开始着手构建初代的Moku测试设备，我们想要把它做好，并与全世界工程师一同分享。起初，我们的设备只开发了一些基础测试测量功能，但经过多年的开发、改进和完善，我认为我们已经拥有了具备核心原创价值的设备。幸运的是，我司成千上万的用户也都认同这一点！Liquid Instruments的命名灵感来源于哪里？
A4: 从公司成立之初起，设计出能够在不同场景下灵活切换工作方式的仪器（就像变色龙一样），就一直是我们为之努力的方向。高度的灵活性，意味着我们设计的探测设备可以在几秒钟内从示波器变成锁相放大器，再变成PID控制器等等，公司的名称便旨在突出设备灵活性这一点，我们的Moku系列设备，可以根据需要灵活切换形态，就如同液体一般灵动流畅。您如何看待AI等技术在引力波探测领域的应用前景？在AI、AR & VR技术盛行的当下，您认为电子测量领域在未来会有哪些新鲜事物值得创新和尝试？
A5: 人工智能显然是一项颠覆性的技术，展望它的未来，你既会感到兴奋，同样也会因一些不确定性而感到忧虑。我相信它会对人类社会产生巨大的正面影响，就如同互联网一般；在AI浪潮席卷而来的今天，我担心很多群体会被落下，社会经济的不平衡性会被进一步放大，人类社会中广泛存在的不平等现象，或许也会因此而加剧。我认为，人工智能只应被用于增强人类的工作技能，而并不是取人类而代之。至于AR/VR技术，首先我承认它们确实很酷，但它们并不能像AI技术一样对人类社会产生巨大影响。我这里恰好有一些令人印象深刻的案例想要分享：佩戴笨重的眼镜，使得AR/VR技术令人望而却步，但如果用户恰好需要佩戴护目镜来完成特定实验任务，那就另当别论了。例如，很多用户在激光实验室内工作。他们需要佩戴激光护目镜来保护眼睛，在这种情况下，佩戴例如半透明的AR/VR显示器（如Apple Vision Pro）搭配相关仪器来进行工作，就是一件很有意思的事情了。这样一来不会使用户感到太多的额外负担，二来又可以使测试仪器的显示界面摆脱工作台的束缚，进而为大型实验室内的工作，带来了全新的自由度，提升了实验人员的工作效率。您在近年来申请了多项与探测仪器集成化与可编程设计相关的国际专利，您认为高精度测量仪器的未来发展趋势是什么？
A6: 在我们看来，将创新成果融入测量设备，以助力其实现更高质量测量工作的趋势日趋显著。其中最强的驱动力，来源于对测量设备而言愈发重要的软件。从受计算机控制的传统测试设备开始，如今我们才真正进入到软件定义仪器的时代。而这些软件仪器，与大家所熟知基于LabVIEW等平台的“虚拟仪器”不同，真正意义上的软件定义型仪器，不仅只是在硬件上安装软件实现控制和测试配置，更是要借助FPGA等可重构芯片技术的巨大进步，去实现更深层次的软硬件集成。在这种新型仪器中，软件可以深入到设备的核心模块，并实时修改硬件的参数配置，使其实现不同的测试功能。在这种“软件优先”的架构下，其他领域的技术创新成果就更容易被集成进来。例如人工智能和AR，以人工智能技术为例，今年下半年我们将把硬件加速的神经网络集成在Moku FPGA上运行的信号处理任务中。而在AR技术方面，当苹果公司推出Vision Pro后不到一周的时间内，我们就已经发布Moku VisionOS应用程序，以支持该设备与Moku系列产品的互联功能，使得科学家和工程师们能够首次在实验室中感受到现实增强技术的魅力。但如果要在以硬件为核心的传统测试设备中实现这一功能，那显然将会慢上很多。
作为一位学者，您对于中国在引力波探测领域的发展有何建议和期待？Liquid Instruments在与中国学者的合作与交流方面，有哪些难忘的故事和成果？
A7: 过去几十年里，引力波天文学的研究取得了突飞猛进的发展，但随着这一领域的进一步发展，仍有许多挑战需要解决。我们可以从传统天文学的研究经验中获得启示：当人类有了望远镜，就从未停止过对远方的眺望与遐思。几个世纪以来，我们一直在努力建造更强大的望远镜，我认为引力波天文学也将如此，我们现在只是刚刚起步。中国在这一领域人才济济，并且不乏大项目，这也将为未来中国新一代青年才俊提供大展身手的平台。引力波天文学的成功，建立在国际合作的坚实基础之上。国际天文学界有着良好的合作历史，我相信共同努力是推动这一领域发展的最优途径。其中，一个最为有效的策略是：将资源集中在一个特定的技术领域，开发和完善该技术，然后充分发挥该技术的先导作用，为全球探测器网络做出突出的贡献。在此策略下所取得的范例是为世人所熟知的：格拉斯哥的悬浮地铁技术、意大利的LISA项目、澳大利亚的量子压缩技术……这些也仅仅只是冰山一角，还有数十个国家，都在特定而关键的技术领域内处于领先地位。要不断提高探测器的性能，就必须将所有这些技术结合起来。任何一个国家单打独斗，风险都会更高，进展也会更慢。我欢迎并鼓励中国科研人员参与这些全球合作。网站：https://www.aphoton-oe.com
