"引言：
近日，北京理工大学物理学院量子技术研究中心张安宁教授、俞文凯研究员团队基于混合纠缠体系首次实现“低于1光子/像素”的量子擦除二维可视化，在量子成像与量子基础物理研究领域取得重要进展。
在实现量子擦除全过程的二维可视化的这背后，离不开一项关键技术的支持——星秒科技FT10X0系列中的FT1040型时间相关单光子计数系统。正是凭借其皮秒级时间分辨率、极低噪声与高精度光子计时能力，研究团队才能从几乎无光的环境中提取出足够的量子信息，完成这场极弱光下的“视觉革命”。"
近日，北京理工大学物理学院量子技术研究中心张安宁教授、俞文凯研究员团队在量子成像与量子基础物理研究领域取得重要进展。该团队创新性地结合“首光子成像”技术与“偏振-轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）混合纠缠”体系，在平均0.6404个光子/像素的极弱光条件下，成功实现了量子擦除全过程的二维可视化观测。相关成果以“Experimental first-photon visualization of quantum erasure with hybrid entanglement”为题，发表在光学领域国际顶级期刊《Laser & Photonics Reviews》（Laser Photonics Rev. 2025: e01816，IF: 10.0，JCR: Q1，中科院1区Top）。北京理工大学为本工作的第一完成单位，合作单位包括盐城师范学院和中国航天科工智能科技研究院。论文共同第一作者为俞文凯研究员、吴清源博士研究生及陈晓晓博士；共同通讯作者为张安宁教授和俞文凯研究员；论文合作者还包括霍娟研究员、李健博士研究生、杨家之博士。该研究工作得到了国家自然科学基金（Grant Nos. 92365115, 12474480, 62571047）的大力支持。
量子互补原理（complementarity principle）是量子力学的基石，而量子擦除（quantum eraser）是这一原理最直观又最“反直觉”的体现之一。尽管OAM模式因其无限正交特性在量子信息中备受关注，但是传统的OAM量子擦除实验往往面临巨大的效率瓶颈：需要遍历检测所有可能的OAM模式，单次测量通常消耗数千光子，且难以在低光子通量下直观呈现量子态的动态演化。
图1、混合纠缠量子擦除实验装置示意图
北京理工大学物理学院的研究团队提出一种全新的量子擦除二维可视化方案。该方案利用北京理工大学首创的非对称矩形纠缠光源，首先产生高亮度、高品质的双光子偏振纠缠态，而后将OAM涡旋态信息编码到纠缠态中，构建出高维空间的“偏振-OAM”混合纠缠态。研究团队巧妙地将“路径标记”信息编码于信号光子与闲置光子的偏振自由度中，利用线性偏振片作为“量子擦除器”。实验表明，当两臂偏振投影夹角设为45°或135°时，光子的“路径信息”被完全擦除，OAM花瓣状干涉图样清晰重现；而当夹角切换至0°或90°时，路径信息被标记，干涉图样随即消失。这种仅通过旋转偏振片即可控制干涉条纹“消失-重现”的现象，生动地演示了量子互补原理。
图2、首光子物理增强双分支残差注意力网络（first-photon physics-enhanced dual-branch residual attention network，FPDRANet）架构[Laser Photonics Rev. 2025: e01816]
图3、经典算法与FPDRANet的重建比较[Laser Photonics Rev. 2025: e01816]
实验结果表明，在平均每像素仅探测到0.6404个光子的极端条件下（远低于传统方法的数千光子需求），该成像系统成功重建了高清晰度的OAM干涉图像，其结构相似度（structural similarity，SSIM）高达0.84。该成果刷新了量子成像的灵敏度记录。该研究将“首光子成像”方法拓展至量子纠缠四维空间，解决了量子成像面临的光子效率问题，有望促进量子探测技术/单光子探测技术从光子计数（photon counting）范式向光子计时（photon timing）范式转变，进而提升多种新兴量子技术的实用性。
为了实现极弱光下的高保真成像，研究团队摒弃了传统的“光子计数”模式，转而采用“光子计时”模式。这其中，时间相关单光子计数系统（TCSPC） 发挥了至关重要的作用。实验中采用的正是星秒科技的FT1040型TCSPC系统。
凭借星秒FT1040的高精度时间标记能力，团队构建出了“首光子物理增强双分支残差注意力网络”（FPDRANet），在几乎无光的环境中重建出清晰的干涉图像。在平均每像素不到1个光子的极端条件下，传统探测器早已“看不见”信号。而FT1040通过精确记录每个光子的到达时间，结合智能算法，让这项“低于1光子像素”的成像突破得以实现。
FT10X0是星秒光电自主研发的一款高精度时间测量系统，可对信号事件的相对时间进行精确测量，并且支持时间标签模式，可以实时记录探测信号的时间信息，用于激光测距、量子光学、生物荧光、材料检测等多个领域。
星秒FT1040时间相关单光子计数系统
FT1040是星秒自主研发的TCSPC产品，在同一个参考时钟下支持同时对4路计数通道（STOP信号）进行并行测量，支持时间标签模式，可以实时记录采集信号的时间信息和通道信息， 用户可以根据实验需求自由选择时间标签模式和直方图模式。FT1040依然保持了单个独立通道的优异性能，每个通道都能达到16ps的时间分辨率、小于10ns的死时间和高达100Mcps的饱和计数率，并且支持最大40MEvents/s的事件传输速率。另外，还支持marker信号和enable信号输入端口，可以满足科研用户在成像等方面的应用（例如荧光寿命成像）。
图5、星秒FT10X0的常见应用领域
这项研究不仅刷新了量子成像的灵敏度纪录，更推动了量子探测从“计数”向“计时”的技术转型。未来，星秒FT1040这类的高精度TCSPC设备，将在量子通信、单光子成像、生物光子学等领域发挥更大作用，这不仅是基础物理的突破，更是量子技术迈向实用化的重要一步。
星秒科技将始终以 “精准感知” 为核心，持续打磨自身的核心技术、迭代产品性能，继续深耕光电探测领域，为科研创新与工业智能化升级提供更优质的技术支撑，与客户共同探索精准测量的无限可能！
