超快皮秒級(jí)量子糾纏信息處理實(shí)時(shí)觀測(cè)的技術(shù)挑戰(zhàn)及突破

量子糾纏作為量子力學(xué)最核心的非經(jīng)典特性，在量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量等領(lǐng)域具有不可替代的價(jià)值。在連續(xù)變量（CV）量子光學(xué)體系中，光場(chǎng)正交分量間的關(guān)聯(lián)特性構(gòu)成了量子信息處理的物理基礎(chǔ)。然而傳統(tǒng)量子糾纏觀測(cè)技術(shù)受限于測(cè)量系統(tǒng)帶寬與效率的制約，其時(shí)間分辨率長(zhǎng)期停留在納秒量級(jí)，難以滿足未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)對(duì)超高速信息處理能力的需求。

日本理化學(xué)研究所聯(lián)合東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《Nature Photonics》發(fā)表的突破性研究，通過(guò)融合太赫茲帶寬波導(dǎo)參量放大技術(shù)與相位敏感放大測(cè)量方案，首次實(shí)現(xiàn)了皮秒時(shí)間尺度光量子糾纏態(tài)的實(shí)時(shí)觀測(cè)。該成果將量子關(guān)聯(lián)資源的可操控時(shí)間尺度壓縮至40皮秒周期，較現(xiàn)有技術(shù)提升三個(gè)數(shù)量級(jí)，為構(gòu)建超高速光學(xué)量子信息處理系統(tǒng)奠定了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
量子光學(xué)體系的發(fā)展需求與瓶頸
連續(xù)變量量子光學(xué)技術(shù)因其與經(jīng)典光通信體系的高度兼容性，被視為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的重要候選方案。在時(shí)域復(fù)用架構(gòu)中，量子態(tài)被編碼在周期性光波包上，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率直接取決于波包時(shí)間寬度。傳統(tǒng)基于體光學(xué)元件的壓縮態(tài)制備系統(tǒng)受限于MHz級(jí)檢測(cè)帶寬，導(dǎo)致量子糾纏觀測(cè)的時(shí)間分辨率難以突破納秒量級(jí)。盡管近年發(fā)展的波導(dǎo)型光學(xué)參量放大器（OPA）可實(shí)現(xiàn)6 THz帶寬的量子態(tài)制備，但與之匹配的測(cè)量技術(shù)始終存在根本性矛盾，效率-帶寬的互斥關(guān)系嚴(yán)重制約了超快量子系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力。

測(cè)量技術(shù)的核心矛盾與物理限制
更深層次的技術(shù)瓶頸在于量子測(cè)量的物理本質(zhì)。與經(jīng)典光通信中僅需測(cè)量光強(qiáng)或頻譜特性不同，量子信息處理要求對(duì)光場(chǎng)正交分量（即振幅和相位）進(jìn)行實(shí)時(shí)量子態(tài)層析。傳統(tǒng)零差探測(cè)方案中，本地振蕩光與信號(hào)光的相位鎖定精度、光電轉(zhuǎn)換效率、電子讀出噪聲共同決定了系統(tǒng)靈敏度。當(dāng)試圖擴(kuò)展至GHz以上頻段時(shí)，探測(cè)器量子效率的指數(shù)式下降會(huì)直接破壞量子關(guān)聯(lián)特征，使得高速測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法滿足量子信息處理的基本保真度要求。如何突破效率-帶寬的物理極限，成為實(shí)現(xiàn)超快量子技術(shù)的核心挑戰(zhàn)。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
相位敏感放大增強(qiáng)型零差探測(cè)架構(gòu)
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出相位敏感放大（PSA）增強(qiáng)型零差探測(cè)架構(gòu)，成功化解了高速量子測(cè)量中的效率瓶頸。核心在于信號(hào)進(jìn)入探測(cè)器前，通過(guò)波導(dǎo)OPA實(shí)施相位選擇性放大。從量子噪聲特性分析，PSA對(duì)目標(biāo)正交分量實(shí)現(xiàn)無(wú)附加噪聲放大，而對(duì)共軛分量進(jìn)行壓縮。這種預(yù)放大過(guò)程顯著提升了后續(xù)低效探測(cè)器對(duì)量子漲落的信噪比，使得70 GHz帶寬商業(yè)通信探測(cè)器首次具備量子態(tài)測(cè)量能力。理論模型顯示，當(dāng)PSA增益達(dá)到25 dB時(shí)，系統(tǒng)有效量子效率可從基礎(chǔ)值19%提升至76%，完全滿足量子關(guān)聯(lián)觀測(cè)的保真度需求。

高帶寬量子態(tài)制備與相位鎖定技術(shù)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建涉及多層級(jí)技術(shù)創(chuàng)新，在量子態(tài)制備端，兩個(gè)獨(dú)立波導(dǎo)OPA產(chǎn)生正交壓縮態(tài)，經(jīng)半透半反鏡干涉形成愛(ài)因斯坦-玻多爾斯基-羅森（EPR）糾纏態(tài)。該波導(dǎo)器件采用周期性極化鈮酸鋰薄膜技術(shù)，在1550 nm通信波段實(shí)現(xiàn)6 THz非線性帶寬和8.3 dB壓縮度。測(cè)量端采用級(jí)聯(lián)OPA結(jié)構(gòu)，通過(guò)精密光學(xué)鎖相控制，使PSA增益方向與EPR態(tài)的量子關(guān)聯(lián)分量精確對(duì)準(zhǔn)。雙通道零差探測(cè)系統(tǒng)配備113 GHz帶寬平衡探測(cè)器，配合256 GSa/s實(shí)時(shí)示波器實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)時(shí)間分辨。特別值得關(guān)注的是，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新型雙模相位鎖定算法，在保持亞波長(zhǎng)級(jí)光學(xué)路徑穩(wěn)定的同時(shí)，克服了太赫茲帶寬系統(tǒng)特有的高頻相位噪聲問(wèn)題。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
實(shí)時(shí)量子糾纏動(dòng)態(tài)特性捕捉
實(shí)驗(yàn)成功捕捉到EPR量子糾纏的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性。原始示波器數(shù)據(jù)顯示，在40 ps周期內(nèi)，兩路光場(chǎng)的x正交分量（振幅）呈現(xiàn)顯著正關(guān)聯(lián)，而p正交分量（相位）表現(xiàn)強(qiáng)反關(guān)聯(lián)特性。通過(guò)計(jì)算自相關(guān)函數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)定量揭示了量子關(guān)聯(lián)的時(shí)空特性，更為重要的是，自相關(guān)函數(shù)的時(shí)間寬度僅20 ps，證明系統(tǒng)可支持25 GHz時(shí)鐘頻率的量子信息處理，較傳統(tǒng)技術(shù)提升三個(gè)數(shù)量級(jí)。

技術(shù)協(xié)同效應(yīng)與性能驗(yàn)證
深入分析表明，該系統(tǒng)的性能提升源于三大技術(shù)協(xié)同效應(yīng)：波導(dǎo)OPA的6 THz帶寬突破了量子態(tài)制備的時(shí)域限制；PSA增強(qiáng)測(cè)量將探測(cè)器有效量子效率提升至理論極限；新型相位鎖定方案解決了超寬頻段量子干涉穩(wěn)定性難題。通過(guò)構(gòu)建正交分量波包關(guān)聯(lián)模型，研究證實(shí)系統(tǒng)可在40 ps周期內(nèi)保持量子態(tài)獨(dú)立性，相鄰波包間無(wú)顯著串?dāng)_，完全滿足時(shí)域復(fù)用量子計(jì)算對(duì)通道隔離度的要求。當(dāng)前4.5 dB的量子關(guān)聯(lián)強(qiáng)度已超越糾纏交換、量子隱形傳態(tài)等基礎(chǔ)協(xié)議的門限值，為構(gòu)建實(shí)用化超快量子網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)支撐。

總結(jié)與展望
研究通過(guò)革命性的測(cè)量架構(gòu)創(chuàng)新，首次將連續(xù)變量量子糾纏觀測(cè)推進(jìn)至皮秒時(shí)間尺度，標(biāo)志著光學(xué)量子技術(shù)正式邁入超快時(shí)代。在基礎(chǔ)研究層面，6 THz帶寬量子光源與PSA增強(qiáng)測(cè)量的結(jié)合，為探索阿秒級(jí)量子動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供了全新工具；在工程應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的千倍提升大幅增強(qiáng)了量子信道的信息密度，使光學(xué)量子計(jì)算與經(jīng)典光通信網(wǎng)絡(luò)的深度融合成為可能；在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，基于商用通信元件的解決方案展現(xiàn)出極佳的技術(shù)移植性，為量子-經(jīng)典混合信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)鋪平道路。  

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。

Kawasaki, A., Brunel, H., Ide, R. et al. Real-time observation of picosecond-timescale optical quantum entanglement towards ultrafast quantum information processing. Nat. Photon. 19, 271–276 (2025). 

DOI:10.1038/s41566-024-01589-7.