?在量子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的量子態(tài)操控是推動(dòng)量子計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域邁向?qū)嵱没年P(guān)鍵。任意波形發(fā)生器（AWG）作為精準(zhǔn)信號(hào)控制的核心設(shè)備，在量子實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著不可或缺的作用。丹麥哥本哈根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于單個(gè)量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)確定性三量子比特糾纏光子源的實(shí)驗(yàn)，便是AWG應(yīng)用的經(jīng)典案例，充分展現(xiàn)了其在量子態(tài)操控中的強(qiáng)大能力。

在該實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是利用量子點(diǎn)內(nèi)的電子自旋和發(fā)射的光子，構(gòu)建具有高保真度的三量子比特糾纏態(tài)，即格林伯格-霍恩-澤林格（GHZ）態(tài)。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要電子自旋進(jìn)行極其精確的相干操控，這正是AWG大顯身手之處。

AWG的首要任務(wù)是生成微波調(diào)制信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用德思特TS-AWG5064型號(hào)的任意波形發(fā)生器，它能夠產(chǎn)生最高6GHz的低頻微波信號(hào)。這些低頻信號(hào)與頻率為8.2GHz的外部本地振蕩器（LO），借助Mini-CircuitsZX05-153LH-S+混頻器進(jìn)行混頻，從而產(chǎn)生高頻邊帶信號(hào)。隨后，通過(guò)ZVBP-10R5G-S+高通濾波器濾除低頻成分，得到實(shí)驗(yàn)所需的高頻信號(hào)，如用于驅(qū)動(dòng)電子自旋塞曼能級(jí)躍遷的22GHz信號(hào)。該高頻信號(hào)經(jīng)放大后加載到電光調(diào)制器（EOM），實(shí)現(xiàn)對(duì)激光相位和幅度的調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋的操控。這一過(guò)程就像是給激光信號(hào)“編碼”，讓激光能夠按照實(shí)驗(yàn)需求，準(zhǔn)確地與電子自旋相互作用。

除了生成信號(hào)，AWG還承擔(dān)著精確控制自旋操作時(shí)序的重任。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中，從核自旋窄化到GHZ態(tài)生成，每一個(gè)步驟都離不開(kāi)AWG對(duì)脈沖序列的精準(zhǔn)把控。在核自旋窄化環(huán)節(jié)，AWG發(fā)送兩個(gè)重疊的1.1μs拉曼脈沖和一個(gè)1.2μs泵浦脈沖，有效抑制了核自旋噪聲，將電子自旋退相干時(shí)間從2ns大幅延長(zhǎng)至33ns，為后續(xù)的自旋操作提供了穩(wěn)定的條件。而在GHZ態(tài)生成過(guò)程中，AWG輸出一系列特定寬度（如4ns）的π/2和π脈沖，并與皮秒激光脈沖配合，實(shí)現(xiàn)了自旋與光子發(fā)射時(shí)間的糾纏。為確保所有操作的精確性，AWG與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）通過(guò)72.63MHz射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)外部時(shí)鐘同步，使自旋操作與光子檢測(cè)事件能夠精確對(duì)齊。

AWG的性能優(yōu)勢(shì)在實(shí)驗(yàn)中得到了充分體現(xiàn)。其頻率范圍可滿足從低頻信號(hào)生成到高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換的需求，時(shí)間分辨率達(dá)到納秒級(jí)，能夠快速響應(yīng)量子點(diǎn)自旋操控的要求。此外，AWG支持自定義波形，研究團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)整脈沖形狀，如使用高斯脈沖、方波等，以優(yōu)化自旋旋轉(zhuǎn)保真度，減少非共振激發(fā)誤差。在與其他光電器件的協(xié)同工作中，AWG與電光調(diào)制器（EOM）、聲光調(diào)制器（AOM）緊密配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光光路和自旋狀態(tài)的全方位控制。同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和誤差校準(zhǔn)機(jī)制，AWG能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整激光功率等參數(shù)，確保實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

該實(shí)驗(yàn)最終成功實(shí)現(xiàn)了保真度為56(2)%的三量子比特GHZ態(tài)，并通過(guò)違反雙可分性準(zhǔn)則10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，證明了真正的三粒子糾纏。這一成果的取得，AWG功不可沒(méi)。它不僅為高保真自旋操控提供了保障，還為未來(lái)量子系統(tǒng)向更多量子比特?cái)U(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)靈活編程脈沖序列，基于AWG的量子操控技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)從三量子比特到八量子比特甚至更多量子比特的突破，推動(dòng)量子計(jì)算和量子通信等領(lǐng)域的發(fā)展。

從丹麥哥本哈根大學(xué)的這項(xiàng)研究可以看出，AWG在量子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用具有重要意義。它憑借精準(zhǔn)的信號(hào)生成和時(shí)序控制能力，成為連接理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵橋梁，為量子技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供了有力支撐。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，AWG有望在更多量子應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮更大作用，助力人類探索量子世界的奧秘，實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

德思特TS-AWG5000可生成低至230ps的亞納秒脈沖，在50Ω負(fù)載下電壓幅度可達(dá)5Vpp，上升和下降時(shí)間小于110ps。脈沖可以生成任意形狀，為用戶在所有實(shí)驗(yàn)條件下提供最大的靈活性。

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