量子信號產生器
量子信號產生器
技術原理與背景
「量子信號產生器」泛指能利用量子力學原理來產生訊號或數據的裝置。其中一個典型例子是量子隨機數產生器 (QRNG)，透過量子測量的本質隨機性來取得不可預測的亂數。傳統的隨機數產生器通常依賴演算法（偽隨機）或複雜物理現象，但量子亂數產生器直接利用量子不確定性（例如單光子經過分束板後的檢測結果）來獲得真隨機數，因而在原理上無法被預測或複製。此外，量子信號產生器也包括產生單光子或糾纏光子對的量子光源，例如利用自發參量下轉換 (SPDC) 晶體產生糾纏光子對，或藉由量子點釋放單光子。這類量子光源可視為產生攜帶量子資訊的「信號」裝置，是量子通訊和量子計算實驗的重要基礎。
目前的技術進展與實作方式
在量子亂數產生方面，近年來已有顯著進展。研究團隊成功展示了高速且安全的量子亂數產生技術，例如丹麥科技大學的科學家實現了每秒2.9 Gb的高速量子亂數產生，同時確保亂數對量子側信道攻擊也是安全的。商業上已出現量子亂數晶片，例如 ID Quantique 公司推出了首款用於手機和物聯網裝置的量子亂數產生晶片（IDQ250C2），使行動裝置也能取得高品質的量子亂數。在單光子和糾纏光源方面，目前廣泛使用的實作方式是利用弱相干雷射脈衝（經過強度衰減後近似單光子）進行量子金鑰分發，以及利用SPDC晶體產生糾纏光子。實驗室中，研究者也開發出量子點單光子源與奈米鑽石氮-空穴中心等光源，提升單光子產生的效率與純度。量子糾纏對的分發距離不斷刷新紀錄，例如中國「墨子號」量子衛星已成功實現千公里級的星地量子糾纏分發與量子密鑰分發。總的來說，量子信號產生技術正朝著更高速、更高品質以及更易於整合的方向發展。
應用領域與實際用途
量子信號產生器的應用領域相當廣泛。在資訊安全方面，量子亂數產生器可用於產生加密密鑰，因其亂數無法預測，可大幅提升通訊安全。例如，將量子亂數應用於一時一密的加密系統，可提供理論上無條件安全的通信保障。單光子和糾纏光源則是量子通訊的核心，例如量子金鑰分發（QKD）需要單光子來承載密鑰資訊，而糾纏光子對可用於量子隨選網路和量子隱形傳態等通訊協議。在量子計算和模擬領域，產生特定的量子態（例如貓態、NOON態等）對於量子感測和量子計算都有應用：NOON態可提高干涉式感測的精度（量子測量中的量子增強技術），而高純度的單光子源是光量子電腦的基本資源。此外，量子亂數在科學計算（例如蒙地卡羅模擬）中也有實際用途，能提高模擬結果的可信度。
當前挑戰與未來發展趨勢
儘管已有初步成果，量子信號產生技術仍面臨一些挑戰。對於量子亂數產生器而言，如何同時實現**高速**與**高熵質量**是難點——裝置需要在短時間內產生大量亂數且保證其隨機性經嚴格統計檢驗。未來的趨勢是在晶片上實現整合的量子亂數產生器，讓手機、車用裝置甚至物聯網節點都能內建QRNG，提高整體系統安全性。同時，需要制定亂數標準以驗證其量子隨機性和安全性。對於量子光源，挑戰在於**單光子的生成效率和純度**。目前高品質單光子源往往工作在極低溫或需要複雜設備，不易實用化。未來的發展方向包括：研製常溫下工作的單光子源、提高量子點光源的亮度和純度，以及發展波長可調的糾纏光源以融入現有光通訊基礎設施。此外，在糾纏分發距離方面，需要突破光纖損耗和去相干效應的限制，這可能透過研發量子中繼器來實現。
相關研究機構、公司或產品
量子信號產生技術的研發涉及產學研多方努力。在隨機數方面，瑞士的 ID Quantique 是領先的公司之一，推出了商用的Quantis系列量子亂數產生器，廣泛應用於金融和政府通訊。另外，如加拿大的 Quantum eMotion 也專注開發小型QRNG硬體。在學術界，北京大學量子電子學研究所等機構也設立了專門的研究團隊探索高速量子隨機數發生器的理論與實現。單光子與糾纏光源方面，中國科學技術大學潘建偉團隊研發了多種糾纏光源並主導「墨子號」衛星計畫，奠定了量子通信光源技術的里程碑。歐美的許多實驗室（如麻省理工學院、維也納大學等）在固態單光子源、鑽石色心等領域也有重要成果。公司方面，日內瓦的 華為量子（Huawei Quantum）和日本東芝亦投入了量子光源與QKD設備的開發。可以預期，隨著量子技術熱潮持續升溫，將有更多企業和研究機構投入量子信號產生器的研發與商業化。
量子任意波形產生器
技術原理與背景
任意波形產生器（AWG）是一種能夠產生任意形狀電信號的電子儀器，使用數位-類比轉換器(DAC)逐點輸出預先定義的波形。在傳統電子測量中，AWG允許使用者產生不侷限於簡單正弦波或方波的複雜訊號，以滿足各種測試需求。量子任意波形產生器 (Quantum AWG, Q-AWG) 則是這一概念在量子領域的延伸，旨在產生**任意量子態**且具有**任意時間波形**的光或量子信號。簡言之，Q-AWG不僅可以塑造經典波形，還可以塑造量子光場的波形和態。例如，在量子電子學中控制光子的時間結構、相位與振幅，即可創造出所需的非經典光態。由於量子態非常脆弱，量子AWG必須採用與傳統脈衝塑形完全不同的方法來避免破壞量子態。這項技術的提出，是因為在量子資訊處理中，能夠隨心所欲地準備所需的量子態（例如具有特定波包形狀的單光子或疊加態）將帶來極大的靈活性和功能，就如同經典AWG對電子測量的重要性一樣。
目前的技術進展與實作方式
目前在實驗實作上，量子任意波形產生器仍屬於前沿研究課題。然而，類似的概念已開始以另一種形式服務於量子技術：即傳統AWG在量子實驗中的應用。量子運算與量子實驗對訊號控制精度要求極高。舉例而言，在超導量子位元或離子阱量子位元的控制上，每個量子位元通常需要多路的精準射頻或雷射脈衝信號來操作其量子態。研究者使用AWG來產生這些多通道的控制波形。Tektronix等公司推出的高階AWG（如AWG5200系列）提供了8個同步通道，每通道具備高取樣率和深記憶體，可同時輸出多路相位相干的脈衝，用於驅動多個量子位元。在離子量子計算方面，奧地利因斯布魯克大學的研究人員使用AWG透過聲光偏轉器控制雷射光束，可同時驅動一串離子中的多個離子，實現平行的量子操作，顯著加快實驗進程。這種多頻控制實現了對各離子的個別操控，同時避免逐一尋址所耗費的時間。
至於真正的「量子AWG」，已有學者提出初步架構並在實驗中驗證其核心技術。東京大學的研究團隊在2022年發表了Q-AWG的架構設想，並展示了該裝置可在接近GHz的重複頻率下，半決定性地產生前所未有波形的高非經典量子光態。這意味著，他們成功產生了過去未曾實現過、具有特殊時間波形的量子態，證明了以全新方法來塑造量子光脈衝是可行的。實作上，這類量子AWG系統可能結合了快速的電光調變器、光學相位調控器以及單光子/壓縮光源等元件，同步控制，以實現對光子波包的精細調制。目前這方面處於研發早期階段，但其潛力已逐漸顯現。
應用領域與實際用途
任意波形產生器在量子科技中的應用主要分為兩部分：其一是利用現有AWG提高量子系統的控制能力，其二是未來量子AWG實現後帶來的新應用。首先，就現有技術而言，AWG已是量子運算實驗的關鍵工具。對超導量子電腦而言，AWG可產生高保真度、精確計時的微波脈衝，用來執行量子閘操作。對離子阱量子計算，AWG產生的多頻射頻信號可透過聲光調制器控制多束雷射，平行操控多個離子量子比特。在量子感測領域，AWG也可用於產生所需的探測信號或校準信號。例如在量子雷達原型中，可能需要特殊調變的光子態作為發射信號，以實現所謂的量子照明增益。
若展望真正的量子AWG裝置，其應用將更加令人振奮。在量子通訊中，Q-AWG可望生成任意形狀的單光子或糾纏態脈衝，這將提高量子網路協定的靈活性和效率。例如，透過量子AWG可以按照需求產生時序上精心設計的光子序列，實現先進的量子密碼協議或量子隱形傳態方案。在光學量子計算領域，Q-AWG可以用來為光子量子位元（qubit）或連續變量量子位元準備任意初始態，甚至動態改變光子在干涉儀中傳遞的波包形狀，這有助於執行更複雜的光量子邏輯操作。此外，在量子精密測量中，Q-AWG能夠產生特殊的量子態（如壓縮態光場）來突破經典測量的極限，提高傳感器的靈敏度和精度。
當前挑戰與未來發展趨勢
對現有使用於量子領域的AWG來說，一個實際挑戰是**擴充性**和**同步性**。隨著量子處理器中的量子位元數目增加，每個量子位元往往需要多條控制線路，這意味著實驗需要更多通道的AWG同步輸出。在大規模系統中，確保所有通道的訊號保持嚴密同步且互相之間串音很低，是困難的工程挑戰。此外，多通道AWG設備昂貴，每增加一個量子位元都帶來額外的成本負擔。未來的趨勢是發展**高通道密度且低噪聲**的AWG，或者探索將部分波形產生功能下放到低溫電子裝置中（如在低溫晶片上整合DAC，減少傳輸失真）。
對於量子AWG的長遠挑戰，由於要直接處理量子態，技術門檻更高。必須解決如何在不破壞量子相干性的前提下進行波形塑形，例如光學元件的損耗、熱雜訊都需極小。實現Q-AWG還需要開發超高速且高精度的光子調控器件，以及可能需要配合量子記憶體來暫存和釋放光子，以半決定性的方式輸出光子串列。未來隨著光子學與電子學的融合，我們或許會看到光子晶片上實現基本的量子波形塑形功能。另外，隨著量子電腦和量子網路發展，對靈活產生定製量子態的需求將推動Q-AWG技術成熟。整體而言，量子任意波形產生技術有望在未來5-10年逐步從概念走向實驗驗證，長期看甚至成為量子資訊科學實驗室和產業中的常規工具。
相關研究機構、公司或產品
目前傳統AWG市場由多家測試測量領域的龍頭廠商主導，其中包括美國的 Tektronix、Keysight (是德科技)、Spectrum Instrumentation 以及瑞士的 Zurich Instruments 等。Tektronix 的 AWG5200 系列產品專為量子研究提供高同步多通道的解決方案。Keysight 則有PXIe架構的高速AWG（例如M3202A模組），宣稱針對量子運算和大規模MIMO研究提供高品質輸出。Spectrum 公司曾報導奧地利因斯布魯克大學利用其 AWG 卡（M4i.6631-x8）來控制離子陷阱實驗。Zurich Instruments 推出了專為量子技術設計的 HDAWG 系列，具備高通道密度與低相位雜訊，非常適合超導量子比特和半導體自旋比特實驗。
在真正的量子AWG研究方面，日本東京大學的 古澤明 (Akira Furusawa) 團隊是先驅之一，2022年他們在 Science Advances 發表了量子任意波形產生器的架構和實驗結果。另外，NTT、NICT等日本研究單位在量子光學領域實力雄厚，也可能參與相關研究。儘管目前尚無商用的量子AWG產品，但可以預見，隨著技術成熟，測試設備公司可能開發混合型裝置，結合傳統AWG與量子態生成功能。一些量子科技初創公司也值得關注，例如 Quantum Machines（量子機器公司）雖然專注於量子控制硬體，但未來不排除導入量子波形產生的專門模組。總的來說，量子任意波形產生器正處於從學術探索走向產業應用的前夜，其相關研發動態值得持續追蹤。
王培儒