【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學物理學院量子技術研究中心張安寧教授、俞文凱研究員團隊在量子成像與量子基礎物理研究領域取得重要進展。該團隊創新性地結合“首光子成像”技術與“偏振-軌道角動量(orbital angular momentum，OAM)混合糾纏”體系，在平均0.6404個光子/像素的極弱光條件下，成功實現了量子擦除全過程的二維可視化觀測。相關成果以“Experimental first-photon visualization of quantum erasure with hybrid entanglement”為題，發表在光學領域國際頂級期刊《Laser & Photonics Reviews》(Laser Photonics Rev. 2025: e01816，IF: 10.0，JCR: Q1，中科院1區Top)。北京理工大學為本工作的第一完成單位，合作單位包括鹽城師范學院和中國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家自然科學基金(Grant Nos. 92365115, 12474480, 62571047)的大力支持。
 

　　量子互補原理(complementarity principle)是量子力學的基石，而量子擦除(quantum eraser)是這一原理最直觀又最“反直覺”的體現之一。盡管OAM模式因其無限正交特性在量子信息中備受關注，但是傳統的OAM量子擦除實驗往往面臨巨大的效率瓶頸：需要遍歷檢測所有可能的OAM模式，單次測量通常消耗數千光子，且難以在低光子通量下直觀呈現量子態的動態演化。
 

　　圖1 混合糾纏量子擦除實驗裝置示意圖[Laser Photonics Rev. 2025: e01816]
 

　　面對這一挑戰，北京理工大學物理學院的研究團隊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首創的非對稱矩形糾纏光源，首先產生高亮度、高品質的雙光子偏振糾纏態，而后將OAM渦旋態信息編碼到糾纏態中，構建出高維空間的“偏振-OAM”混合糾纏態。研究團隊巧妙地將“路徑標記”信息編碼于信號光子與閑置光子的偏振自由度中，利用線性偏振片作為“量子擦除器”。實驗表明，當兩臂偏振投影夾角設為45°或135°時，光子的“路徑信息”被完全擦除，OAM花瓣狀干涉圖樣清晰重現；而當夾角切換至0°或90°時，路徑信息被標記，干涉圖樣隨即消失。這種僅通過旋轉偏振片即可控制干涉條紋“消失-重現”的現象，生動地演示了量子互補原理。
 

　　圖2 首光子物理增強雙分支殘差注意力網絡(first-photon physics-enhanced dual-branch residual attention network，FPDRANet)架構[Laser Photonics Rev. 2025: e01816]
 

　　為了在極低光子通量下實現量子擦除過程的高保真二維可視化，研究團隊突破首光子成像方法的“空間-時間”三維數據結構的局限，創新性地以光子計時模式(photon timing)取代傳統的光子計數模式(photon counting)，首次實現了適用于量子糾纏結構的四維“首光子物理增強雙分支殘差注意力網絡”(first-photon physics-enhanced dual-branch residual attention network，FPDRANet)架構。
 

　　圖3 經典算法與FPDRANet的重建比較[Laser Photonics Rev. 2025: e01816]
 

　　實驗結果表明，在平均每像素僅探測到0.6404個光子的極端條件下(遠低于傳統方法的數千光子需求)，該成像系統成功重建了高清晰度的OAM干涉圖像，其結構相似度(structural similarity，SSIM)高達0.84。該成果刷新了量子成像的靈敏度記錄。文章概念圖“旋轉的太極”，一半模糊代表信息被擦除，另一半由無數微球組成，代表未擦除的單光子依然攜帶著無限維OAM量子態信息。
 

　　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題，有望促進量子探測技術/單光子探測技術從光子計數(photon counting)范式向光子計時(photon timing)范式轉變，進而提升多種新興量子技術的實用性。為了推動量子技術領域的共同發展，研究團隊已將FPDRANet源代碼及實驗數據集開源。