应用分享 | 精准生成和时序控制！AWG在确定性三量子比特纠缠光子源中的应用

在量子技术飞速发展的今天，实现高效稳定的量子态操控是推动量子计算、量子通信等领域迈向实用化的关键。任意波形发生器（AWG）作为精准信号控制的核心设备，在量子实验中发挥着不可或缺的作用。丹麦哥本哈根大学的研究团队基于单个量子点实现确定性三量子比特纠缠光子源的实验，便是AWG应用的经典案例，充分展现了其在量子态操控中的强大能力。

在该实验中，研究团队的目标是利用量子点内的电子自旋和发射的光子，构建具有高保真度的三量子比特纠缠态，即格林伯格-霍恩-泽林格（GHZ）态。然而，要实现这一目标，需要电子自旋进行极其精确的相干操控，这正是AWG大显身手之处。

AWG的首要任务是生成微波调制信号。实验采用德思特TS-AWG5064型号的任意波形发生器，它能够产生最高6GHz的低频微波信号。这些低频信号与频率为8.2GHz的外部本地振荡器（LO），借助Mini-CircuitsZX05-153LH-S+混频器进行混频，从而产生高频边带信号。随后，通过ZVBP-10R5G-S+高通滤波器滤除低频成分，得到实验所需的高频信号，如用于驱动电子自旋塞曼能级跃迁的22GHz信号。该高频信号经放大后加载到电光调制器（EOM），实现对激光相位和幅度的调制，进而实现对电子自旋的操控。这一过程就像是给激光信号“编码”，让激光能够按照实验需求，准确地与电子自旋相互作用。

除了生成信号，AWG还承担着精确控制自旋操作时序的重任。在整个实验流程中，从核自旋窄化到GHZ态生成，每一个步骤都离不开AWG对脉冲序列的精准把控。在核自旋窄化环节，AWG发送两个重叠的1.1µs拉曼脉冲和一个1.2µs泵浦脉冲，有效抑制了核自旋噪声，将电子自旋退相干时间从2ns大幅延长至33ns，为后续的自旋操作提供了稳定的条件。而在GHZ态生成过程中，AWG输出一系列特定宽度（如4ns）的π/2和π脉冲，并与皮秒激光脉冲配合，实现了自旋与光子发射时间的纠缠。为确保所有操作的精确性，AWG与现场可编程门阵列（FPGA）通过72.63MHz射频信号实现外部时钟同步，使自旋操作与光子检测事件能够精确对齐。

AWG的性能优势在实验中得到了充分体现。其频率范围可满足从低频信号生成到高频信号转换的需求，时间分辨率达到纳秒级，能够快速响应量子点自旋操控的要求。此外，AWG支持自定义波形，研究团队可以根据实验需求调整脉冲形状，如使用高斯脉冲、方波等，以优化自旋旋转保真度，减少非共振激发误差。在与其他光电器件的协同工作中，AWG与电光调制器（EOM）、声光调制器（AOM）紧密配合，实现了对激光光路和自旋状态的全方位控制。同时，通过实时监控和误差校准机制，AWG能够动态调整激光功率等参数，确保实验的稳定性和准确性。

该实验最终成功实现了保真度为56(2)%的三量子比特GHZ态，并通过违反双可分性准则10个标准差，证明了真正的三粒子纠缠。这一成果的取得，AWG功不可没。它不仅为高保真自旋操控提供了保障，还为未来量子系统向更多量子比特扩展奠定了基础。通过灵活编程脉冲序列，基于AWG的量子操控技术有望实现从三量子比特到八量子比特甚至更多量子比特的突破，推动量子计算和量子通信等领域的发展。

从丹麦哥本哈根大学的这项研究可以看出，AWG在量子实验中的应用具有重要意义。它凭借精准的信号生成和时序控制能力，成为连接理论设计与实验实现的关键桥梁，为量子技术的创新发展提供了有力支撑。随着技术的不断进步，AWG有望在更多量子应用场景中发挥更大作用，助力人类探索量子世界的奥秘，实现量子技术的广泛应用。

德思特TS-AWG5000可生成低至230ps的亚纳秒脉冲，在50Ω负载下电压幅度可达5Vpp，上升和下降时间小于110ps。脉冲可以生成任意形状，为用户在所有实验条件下提供最大的灵活性。