北理工團(tuán)隊(duì)基于混合糾纏體系首次實(shí)現(xiàn)“低于1光子/像素”的量子擦除二維可視化
發(fā)布日期：2025-12-22 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心張安寧教授、俞文凱研究員團(tuán)隊(duì)在量子成像與量子基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地結(jié)合“首光子成像”技術(shù)與“偏振-軌道角動(dòng)量（orbital angular momentum，OAM）混合糾纏”體系，在平均0.6404個(gè)光子/像素的極弱光條件下，成功實(shí)現(xiàn)了量子擦除全過(guò)程的二維可視化觀(guān)測(cè)。相關(guān)成果以“Experimental first-photon visualization of quantum erasure with hybrid entanglement”為題，發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Laser & Photonics Reviews》（Laser Photonics Rev. 2025: e01816，IF: 10.0，JCR: Q1，中科院1區(qū)Top）。北京理工大學(xué)為本工作的第一完成單位，合作單位包括鹽城師范學(xué)院和中國(guó)航天科工智能科技研究院。論文共同第一作者為俞文凱研究員、吳清源博士研究生及陳曉曉博士；共同通訊作者為張安寧教授和俞文凱研究員；論文合作者還包括霍娟研究員、李健博士研究生、楊家之博士。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（Grant Nos. 92365115, 12474480, 62571047）的大力支持。
量子互補(bǔ)原理（complementarity principle）是量子力學(xué)的基石，而量子擦除（quantum eraser）是這一原理最直觀(guān)又最“反直覺(jué)”的體現(xiàn)之一。盡管OAM模式因其無(wú)限正交特性在量子信息中備受關(guān)注，但是傳統(tǒng)的OAM量子擦除實(shí)驗(yàn)往往面臨巨大的效率瓶頸：需要遍歷檢測(cè)所有可能的OAM模式，單次測(cè)量通常消耗數(shù)千光子，且難以在低光子通量下直觀(guān)呈現(xiàn)量子態(tài)的動(dòng)態(tài)演化。
圖1 混合糾纏量子擦除實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[Laser Photonics Rev. 2025: e01816]
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，北京理工大學(xué)物理學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)提出一種全新的量子擦除二維可視化方案。該方案利用北京理工大學(xué)首創(chuàng)的非對(duì)稱(chēng)矩形糾纏光源，首先產(chǎn)生高亮度、高品質(zhì)的雙光子偏振糾纏態(tài)，而后將OAM渦旋態(tài)信息編碼到糾纏態(tài)中，構(gòu)建出高維空間的“偏振-OAM”混合糾纏態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將“路徑標(biāo)記”信息編碼于信號(hào)光子與閑置光子的偏振自由度中，利用線(xiàn)性偏振片作為“量子擦除器”。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩臂偏振投影夾角設(shè)為45°或135°時(shí)，光子的“路徑信息”被完全擦除，OAM花瓣?duì)罡缮鎴D樣清晰重現(xiàn)；而當(dāng)夾角切換至0°或90°時(shí)，路徑信息被標(biāo)記，干涉圖樣隨即消失。這種僅通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片即可控制干涉條紋“消失-重現(xiàn)”的現(xiàn)象，生動(dòng)地演示了量子互補(bǔ)原理。
圖2 首光子物理增強(qiáng)雙分支殘差注意力網(wǎng)絡(luò)（first-photon physics-enhanced dual-branch residual attention network，F(xiàn)PDRANet）架構(gòu)[Laser Photonics Rev. 2025: e01816]
為了在極低光子通量下實(shí)現(xiàn)量子擦除過(guò)程的高保真二維可視化，研究團(tuán)隊(duì)突破首光子成像方法的“空間-時(shí)間”三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的局限，創(chuàng)新性地以光子計(jì)時(shí)模式（photon timing）取代傳統(tǒng)的光子計(jì)數(shù)模式（photon counting），首次實(shí)現(xiàn)了適用于量子糾纏結(jié)構(gòu)的四維“首光子物理增強(qiáng)雙分支殘差注意力網(wǎng)絡(luò)”（first-photon physics-enhanced dual-branch residual attention network，F(xiàn)PDRANet）架構(gòu)。
圖3 經(jīng)典算法與FPDRANet的重建比較[Laser Photonics Rev. 2025: e01816]
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在平均每像素僅探測(cè)到0.6404個(gè)光子的極端條件下（遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法的數(shù)千光子需求），該成像系統(tǒng)成功重建了高清晰度的OAM干涉圖像，其結(jié)構(gòu)相似度（structural similarity，SSIM）高達(dá)0.84。該成果刷新了量子成像的靈敏度記錄。文章概念圖“旋轉(zhuǎn)的太極”，一半模糊代表信息被擦除，另一半由無(wú)數(shù)微球組成，代表未擦除的單光子依然攜帶著無(wú)限維OAM量子態(tài)信息。
圖4 文章概念
該研究將“首光子成像”方法拓展至量子糾纏四維空間，解決了量子成像面臨的光子效率問(wèn)題，有望促進(jìn)量子探測(cè)技術(shù)/單光子探測(cè)技術(shù)從光子計(jì)數(shù)（photon counting）范式向光子計(jì)時(shí)（photon timing）范式轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提升多種新興量子技術(shù)的實(shí)用性。為了推動(dòng)量子技術(shù)領(lǐng)域的共同發(fā)展，研究團(tuán)隊(duì)已將FPDRANet源代碼及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集開(kāi)源。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202501816
開(kāi)源代碼：https://github.com/qingyuanwu/FPDRANet
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