在2022年10月28日，《科学进展》（Science Advances）期刊在线发表了一篇题为“量子任意波形发生器”（Quantum arbitrary waveform generator）的研究论文。该研究由东京大学应用物理系、理化学研究所量子计算中心、日本电报电话公司（NTT）器件技术实验室以及日本国家信息通信技术研究所先进ICT研究所等机构的Kan Takase、Akito Kawasaki、Byung Kyu Jeong、Takahiro Kashiwazaki、Takushi Kazama、Koji Enbutsu、Kei Watanabe、Takeshi Umeki、Shigehito Miki、Hirotaka Terai、Masahiro Yabuno、Fumihiro China、Warit Asavanant、Mamoru Endo、Jun-Ichi Yoshikawa和Akira Furusawa等研究人员合作完成。
本研究的学术领域属于量子光学和量子信息科学，具体聚焦于量子态的产生与操控。研究的背景源于经典光学中一种成熟且广泛应用的工具——任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator, AWG）。经典AWG可以输出具有用户指定时间波形（temporal waveform）的激光，通过优化波形，它在光与物质相互作用控制、超快光通信、光谱学等诸多领域发挥了关键作用。然而，经典AWG有一个根本性的局限：它只能输出一种特殊的量子态——相干态（coherent state）。而在需要明确利用光的量子特性的应用中，例如量子计算、量子网络和量子传感，则要求使用各种非经典的量子态，如压缩态（squeezed state）、福克态（Fock state）、薛定谔猫态（Schrödinger cat state）等。因此，经典AWG无法满足这些高级量子应用的需求。
为了解决这一局限，本研究团队提出了“量子任意波形发生器”（Quantum AWG, Q-AWG）的创新概念。Q-AWG的目标是能够输出具有任意时间波形的任意量子态。这是一个极具挑战性的目标，因为它需要同时控制量子态的两个自由度：一是其“波形”，即光场在时间维度上的分布函数f(t)；二是其“波函数”，即描述光场正交振幅分量（如x分量）概率幅分布的量子态函数ψ(x)。实现Q-AWG需要一种与经典AWG完全不同的方法论，因为量子态是脆弱的，极易因光学损耗而失去其非经典特性。特别是对于具有高度非经典性的非高斯态（non-Gaussian state，其波函数为非高斯函数），如何为其工程化任意时间波形，此前一直是个悬而未决的难题。因此，本研究旨在提出Q-AWG的架构并演示其核心技术——生成具有任意时间波形的非高斯量子态。
研究的详细工作流程可以分为几个核心部分：首先是Q-AWG架构的理论构想与原理阐述；其次是基于该原理的实验验证系统的搭建；最后是对生成态的表征与评估。
在理论构想部分，研究人员设计了一种基于“预示”（heralding）方案的Q-AWG架构。预示方案是生成非高斯态的常用方法：首先制备一个多通道的高斯态（如压缩态），然后对其中的一个或多个辅助通道进行光子数测量，测量结果会“预示”在主输出通道上生成一个非高斯态。本研究的关键创新在于发现，可以通过量子纠缠来操控生成态的时间波形。具体而言，在辅助（测量）通道中插入具有特定脉冲响应g(t)的线性光学滤波器，就可以经由纠缠影响输出态的时间波形f(t)。研究团队证明，当使用宽带连续波（CW）量子光源时，通过设置滤波器的脉冲响应g(t)正比于目标波形f(t)的时间反演（即g(t) ∝ f(-t)），就可以在输出通道实现任意时间波形f(t)。所有用于波形整形的元件（滤波器）都被放置在损耗相对不敏感的测量通道中，从而最大程度地保护了输出通道上脆弱量子态的纯度。此外，通过引入定时控制器（如可调光延时线或基于光学环路电路的量子存储器）来调整输出态的发射时序，并结合高效率的预示方案与太赫兹带宽的量子光源，理论上可以使Q-AWG以超过千兆赫兹的重复率半确定性地工作。
为了验证这一核心思想，研究团队进行了实验演示。实验对象是光量子态，具体目标是生成具有特定时间波形——时间仓（Time-Bin, TB）波形和平衡时间仓（Balanced Time-Bin, BTB）波形的薛定谔猫态。这两种波形在可扩展光学量子计算方案中被广泛用作计算基矢，但此前从未在非高斯态上实现过。实验流程如下：首先，使用团队自主研发的低损耗周期性极化铌酸锂（PPLN）波导光学参量放大器（OPA）作为宽带连续波压缩光源，它能产生高纯度的太赫兹带宽压缩光。压缩光被分成两路，其中约5%被分束到一个辅助（测量）通道。在该通道中，研究人员构建了两个不同的线性光学滤波器，其脉冲响应分别被设计为与目标TB和BTB波形的时间反演成正比。这些滤波器由马赫-曾德尔干涉仪、光学腔和光纤布拉格光栅等元件构成，能够以高精度近似所需的任意脉冲响应。滤波器的输出端连接一个超导纳米线单光子探测器（SNSPD）用于进行光子数测量（本例中探测一个光子）。每次SNSPD的“点击”事件，就“预示”在另一条（输出）通道上生成了一个猫态。输出通道的光场不经过任何整形滤波器。
为了评估实验成果，研究团队使用带宽为200 MHz的零差探测器对生成的量子态进行测量。评估过程分为两步：第一步是评估滤波器本身。他们向滤波器输入弱脉冲激光，并用零差探测器随机相位测量输出，通过对自相关信号进行主成分分析（Principal Components Analysis, PCA）来估计滤波器的实际脉冲响应，并与理论波形进行比较。第二步是评估生成的量子态。他们采集大量在SNSPD预示下对应的零差探测信号，同样使用PCA分析来提取生成态的主要时间波形成分。利用提取出的波形函数f(t)，他们可以从零差测量信号中计算出目标模式的正交振幅分量，进而通过量子态层析技术重构出该模式对应的量子态的维格纳函数（Wigner function），这是表征量子态非经典性的关键工具（负的维格纳函数值是非经典性的明确标志）。
研究的主要结果清晰而有力地支持了他们的理论。首先，对滤波器的评估显示，无论是TB还是BTB滤波器，其PCA分析的第一特征值都远大于其他特征值，表明滤波器的响应可以很好地用一个实函数描述，且其实测波形与理论预测的匹配度很高（TB: 0.971， B: 0.954）。这证实了他们成功制备了具有目标时间反演波形的滤波器。其次，对生成量子态波形的PCA分析表明，在预示条件下，输出光场中只有一个模式的特征值显著突出，证明成功生成了单模的非高斯态，且其时间波形与理论预期高度吻合（与理论波形的匹配度TB为0.958，BTB为0.954）。最关键的是，重构出的维格纳函数在相位空间原点处呈现出明显的负值（TB波形下为-0.070 ± 0.002，BTB波形下为-0.068 ± 0.002），这是生成态具有高度非经典性的直接证据。这些态可以最佳地近似为振幅|α| ≈ 0.94的薛定谔猫态（保真度F：TB为0.564 ± 0.001，BTB为0.604 ± 0.003）。这些结果逻辑连贯：成功制备的滤波器（步骤一）通过纠缠机制，使得在预示方案下生成的量子态（步骤二）具备了预设的时间波形，并且该态经测量被证实是非经典的猫态。这完整地演示了“为任意非高斯态赋予任意时间波形”这一Q-AWG核心技术的可行性。
本研究得出了明确的结论：团队不仅首次提出了Q-AWG的概念及其基于连续波预示方案的实现架构，而且通过实验成功演示了该架构的核心技术，生成了对于实用化光学量子计算至关重要的TB和BTB波形非高斯态。这标志着向实现Q-AWG——一种终极量子光源——迈出了关键一步。
本研究的科学价值与应用价值巨大。在科学上，它为解决量子态波形控制这一长期难题提供了一种全新的、基于纠缠的通用方法论，深化了对多模量子纠缠与测量反作用之间关系的理解。在应用上，Q-AWG是实现大规模、通用、容错光学量子计算的基石性技术。论文中图1b所示的方案清晰地展示了Q-AWG如何通过输出具有BTB波形的多种量子态，在时域高效复用量子比特，从而支撑可扩展的测量基量子计算。此外，Q-AWG在量子网络的时空编码、实时量子测量、超纠缠产生、连接固态量子系统（如量子存储器）等方面都具有广阔的应用前景。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，概念的原创性：首次明确提出了“量子任意波形发生器”这一统摄性概念，将量子态的波函数控制与时间波形控制统一在一个框架内。第二，方法的创新性：创造性地利用测量通道中的滤波器和量子纠缠来间接控制输出态的波形，避免了在输出通道引入损耗，原理巧妙且实用。第三，技术的先进性：实验演示综合运用了团队自主研发的太赫兹带宽波导OPA、高精度线性光学滤波器、超导单光子探测器等尖端技术，展示了强大的系统集成能力。第四，目标的实用性：所演示的TB和BTB波形直接瞄准了当前主流光学量子计算架构的需求，使得研究成果具有明确的实用化导向。第五，前景的广阔性：论文指出，通过进一步提高光源带宽、采用更高效的预示方案和定时控制技术，有望实现千兆赫兹重复率的半确定性Q-AWG，并扩展到多模领域，为未来量子信息技术的发展开辟了新的道路。