超快皮秒级量子纠缠信息处理实时观测

量子纠缠作为量子力学最核心的非经典特性，在量子计算、量子通信和量子精密测量等领域具有不可替代的价值。在连续变量（CV）量子光学体系中，光场正交分量间的关联特性构成了量子信息处理的物理基础。然而传统量子纠缠观测技术受限于测量系统带宽与效率的制约，其时间分辨率长期停留在纳秒量级，难以满足未来量子网络对超高速信息处理能力的需求。

日本理化学研究所联合东京大学团队在《Nature Photonics》发表的突破性研究，通过融合太赫兹带宽波导参量放大技术与相位敏感放大测量方案，首次实现了皮秒时间尺度光量子纠缠态的实时观测。该成果将量子关联资源的可操控时间尺度压缩至40皮秒周期，较现有技术提升三个数量级，为构建超高速光学量子信息处理系统奠定了关键实验基础。

连续变量量子光学技术因其与经典光通信体系的高度兼容性，被视为实现大规模量子网络的重要候选方案。在时域复用架构中，量子态被编码在周期性光波包上，系统时钟频率直接取决于波包时间宽度。传统基于体光学元件的压缩态制备系统受限于MHz级检测带宽，导致量子纠缠观测的时间分辨率难以突破纳秒量级。尽管近年发展的波导型光学参量放大器（OPA）可实现6 THz带宽的量子态制备，但与之匹配的测量技术始终存在根本性矛盾，效率-带宽的互斥关系严重制约了超快量子系统的实际应用能力。

更深层次的技术瓶颈在于量子测量的物理本质。与经典光通信中仅需测量光强或频谱特性不同，量子信息处理要求对光场正交分量（即振幅和相位）进行实时量子态层析。传统零差探测方案中，本地振荡光与信号光的相位锁定精度、光电转换效率、电子读出噪声共同决定了系统灵敏度。当试图扩展至GHz以上频段时，探测器量子效率的指数式下降会直接破坏量子关联特征，使得高速测量系统无法满足量子信息处理的基本保真度要求。如何突破效率-带宽的物理极限，成为实现超快量子技术的核心挑战。

研究团队创新性地提出相位敏感放大（PSA）增强型零差探测架构，成功化解了高速量子测量中的效率瓶颈。核心在于信号进入探测器前，通过波导OPA实施相位选择性放大。从量子噪声特性分析，PSA对目标正交分量实现无附加噪声放大，而对共轭分量进行压缩。这种预放大过程显著提升了后续低效探测器对量子涨落的信噪比，使得70 GHz带宽商业通信探测器首次具备量子态测量能力。理论模型显示，当PSA增益达到25 dB时，系统有效量子效率可从基础值19%提升至76%，完全满足量子关联观测的保真度需求。

实时量子相关信号

实验系统构建涉及多层级技术创新，在量子态制备端，两个独立波导OPA产生正交压缩态，经半透半反镜干涉形成爱因斯坦-玻多尔斯基-罗森（EPR）纠缠态。该波导器件采用周期性极化铌酸锂薄膜技术，在1550 nm通信波段实现6 THz非线性带宽和8.3 dB压缩度。测量端采用级联OPA结构，通过精密光学锁相控制，使PSA增益方向与EPR态的量子关联分量精确对准。双通道零差探测系统配备113 GHz带宽平衡探测器，配合256 GSa/s实时示波器实现皮秒级时间分辨。特别值得关注的是，团队开发了新型双模相位锁定算法，在保持亚波长级光学路径稳定的同时，克服了太赫兹带宽系统特有的高频相位噪声问题。

使用零差测量测量EPR相关性的化学方法

实验成功捕捉到EPR量子纠缠的实时动态特性。原始示波器数据显示，在40 ps周期内，两路光场的x正交分量（振幅）呈现显著正关联，而p正交分量（相位）表现强反关联特性。通过计算自相关函数，研究团队定量揭示了量子关联的时空特性，更为重要的是，自相关函数的时间宽度仅20 ps，证明系统可支持25 GHz时钟频率的量子信息处理，较传统技术提升三个数量级。

时域中的量子相关性分析

深入分析表明，该系统的性能提升源于三大技术协同效应：波导OPA的6 THz带宽突破了量子态制备的时域限制；PSA增强测量将探测器有效量子效率提升至理论极限；新型相位锁定方案解决了超宽频段量子干涉稳定性难题。通过构建正交分量波包关联模型，研究证实系统可在40 ps周期内保持量子态独立性，相邻波包间无显著串扰，完全满足时域复用量子计算对通道隔离度的要求。当前4.5 dB的量子关联强度已超越纠缠交换、量子隐形传态等基础协议的门限值，为构建实用化超快量子网络提供了关键实验支撑。

实验设置

研究通过革命性的测量架构创新，首次将连续变量量子纠缠观测推进至皮秒时间尺度，标志着光学量子技术正式迈入超快时代。在基础研究层面，6 THz带宽量子光源与PSA增强测量的结合，为探索阿秒级量子动力学过程提供了全新工具；在工程应用领域，系统时钟频率的千倍提升大幅增强了量子信道的信息密度，使光学量子计算与经典光通信网络的深度融合成为可能；在产业化进程中，基于商用通信元件的解决方案展现出极佳的技术移植性，为量子-经典混合信息系统开发铺平道路。  

声明：本文仅用作学术目的。

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.