量子糾纏作為量子力學最核心的非經典特性，在量子計算、量子通信和量子精密測量等領域具有不可替代的價值。在連續(xù)變量（CV）量子光學體系中，光場正交分量間的關聯特性構成了量子信息處理的物理基礎。然而傳統(tǒng)量子糾纏觀測技術受限于測量系統(tǒng)帶寬與效率的制約，其時間分辨率長期停留在納秒量級，難以滿足未來量子網絡對超高速信息處理能力的需求。

日本理化學研究所聯合東京大學團隊在《Nature Photonics》發(fā)表的突破性研究，通過融合太赫茲帶寬波導參量放大技術與相位敏感放大測量方案，首次實現了皮秒時間尺度光量子糾纏態(tài)的實時觀測。該成果將量子關聯資源的可操控時間尺度壓縮至40皮秒周期，較現有技術提升三個數量級，為構建超高速光學量子信息處理系統(tǒng)奠定了關鍵實驗基礎。

研究背景與技術挑戰(zhàn)
量子光學體系的發(fā)展需求與瓶頸
連續(xù)變量量子光學技術因其與經典光通信體系的高度兼容性，被視為實現大規(guī)模量子網絡的重要候選方案。在時域復用架構中，量子態(tài)被編碼在周期性光波包上，系統(tǒng)時鐘頻率直接取決于波包時間寬度。傳統(tǒng)基于體光學元件的壓縮態(tài)制備系統(tǒng)受限于MHz級檢測帶寬，導致量子糾纏觀測的時間分辨率難以突破納秒量級。盡管近年發(fā)展的波導型光學參量放大器（OPA）可實現6 THz帶寬的量子態(tài)制備，但與之匹配的測量技術始終存在根本性矛盾，效率-帶寬的互斥關系嚴重制約了超快量子系統(tǒng)的實際應用能力。

測量技術的核心矛盾與物理限制
更深層次的技術瓶頸在于量子測量的物理本質。與經典光通信中僅需測量光強或頻譜特性不同，量子信息處理要求對光場正交分量（即振幅和相位）進行實時量子態(tài)層析。傳統(tǒng)零差探測方案中，本地振蕩光與信號光的相位鎖定精度、光電轉換效率、電子讀出噪聲共同決定了系統(tǒng)靈敏度。當試圖擴展至GHz以上頻段時，探測器量子效率的指數式下降會直接破壞量子關聯特征，使得高速測量系統(tǒng)無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，成為實現超快量子技術的核心挑戰(zhàn)。

技術創(chuàng)新與應用
相位敏感放大增強型零差探測架構
研究團隊創(chuàng)新性地提出相位敏感放大（PSA）增強型零差探測架構，成功化解了高速量子測量中的效率瓶頸。核心在于信號進入探測器前，通過波導OPA實施相位選擇性放大。從量子噪聲特性分析，PSA對目標正交分量實現無附加噪聲放大，而對共軛分量進行壓縮。這種預放大過程顯著提升了后續(xù)低效探測器對量子漲落的信噪比，使得70 GHz帶寬商業(yè)通信探測器首次具備量子態(tài)測量能力。理論模型顯示，當PSA增益達到25 dB時，系統(tǒng)有效量子效率可從基礎值19%提升至76%，完全滿足量子關聯觀測的保真度需求。

高帶寬量子態(tài)制備與相位鎖定技術
實驗系統(tǒng)構建涉及多層級技術創(chuàng)新，在量子態(tài)制備端，兩個獨立波導OPA產生正交壓縮態(tài)，經半透半反鏡干涉形成愛因斯坦-玻多爾斯基-羅森（EPR）糾纏態(tài)。該波導器件采用周期性極化鈮酸鋰薄膜技術，在1550 nm通信波段實現6 THz非線性帶寬和8.3 dB壓縮度。測量端采用級聯OPA結構，通過精密光學鎖相控制，使PSA增益方向與EPR態(tài)的量子關聯分量精確對準。雙通道零差探測系統(tǒng)配備113 GHz帶寬平衡探測器，配合256 GSa/s實時示波器實現皮秒級時間分辨。特別值得關注的是，團隊開發(fā)了新型雙模相位鎖定算法，在保持亞波長級光學路徑穩(wěn)定的同時，克服了太赫茲帶寬系統(tǒng)特有的高頻相位噪聲問題。

成像實驗與結果分析
實時量子糾纏動態(tài)特性捕捉
實驗成功捕捉到EPR量子糾纏的實時動態(tài)特性。原始示波器數據顯示，在40 ps周期內，兩路光場的x正交分量（振幅）呈現顯著正關聯，而p正交分量（相位）表現強反關聯特性。通過計算自相關函數，研究團隊定量揭示了量子關聯的時空特性，更為重要的是，自相關函數的時間寬度僅20 ps，證明系統(tǒng)可支持25 GHz時鐘頻率的量子信息處理，較傳統(tǒng)技術提升三個數量級。

技術協同效應與性能驗證
深入分析表明，該系統(tǒng)的性能提升源于三大技術協同效應：波導OPA的6 THz帶寬突破了量子態(tài)制備的時域限制；PSA增強測量將探測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。通過構建正交分量波包關聯模型，研究證實系統(tǒng)可在40 ps周期內保持量子態(tài)獨立性，相鄰波包間無顯著串擾，完全滿足時域復用量子計算對通道隔離度的要求。當前4.5 dB的量子關聯強度已超越糾纏交換、量子隱形傳態(tài)等基礎協議的門限值，為構建實用化超快量子網絡提供了關鍵實驗支撐。

總結與展望
研究通過革命性的測量架構創(chuàng)新，首次將連續(xù)變量量子糾纏觀測推進至皮秒時間尺度，標志著光學量子技術正式邁入超快時代。在基礎研究層面，6 THz帶寬量子光源與PSA增強測量的結合，為探索阿秒級量子動力學過程提供了全新工具；在工程應用領域，系統(tǒng)時鐘頻率的千倍提升大幅增強了量子信道的信息密度，使光學量子計算與經典光通信網絡的深度融合成為可能；在產業(yè)化進程中，基于商用通信元件的解決方案展現出極佳的技術移植性，為量子-經典混合信息系統(tǒng)開發(fā)鋪平道路。  

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。

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.