在量子力学的发展历程中，杨氏双缝实验始终占据着不可替代的地位，它不仅揭示了光的波动性，更成为理解波粒二象性和量子测量问题的基础范例。传统双缝干涉实验依赖于高强度光源，生成经典意义上的干涉条纹，而将光强度降低至单光子级别时，单个光子通过双缝仍能产生干涉图案，这一现象深刻挑战了经典物理学的直觉，体现了量子叠加态的本质。然而，由于技术限制，早期实验难以直接捕捉和记录单光子通过双缝后的瞬时过程，只能通过长时间累积探测得到干涉图样。2016年，Reuben S. Aspden、Miles J. Padgett和Gabriel C. Spalding等科学家借助参数下转换技术和时间门控摄像系统，首次实现了对真正的单光子双缝干涉的动态视频录制，开启了从理论到视觉直观理解量子干涉的新篇章。 实验的理论基础源自产生纠缠光子对的参数下转换过程。具体来说，使用波长为355纳米的泵浦激光照射β-硼酸硼(BBO)晶体，单个高能光子在晶体内“分裂”为一对能量与动量相关联的光子，每个波长约为710纳米。
遵循能量与动量守恒原则，这些光子对展现出强关联特性，使得其中一个光子的探测能够作为“预示”信号，触发对另一光子的时间门控摄像。通过这种“预示探测”或称“先导信号”，大幅降低成像系统的背景噪声，从而捕获真正的单光子事件，实现前所未有的成像灵敏度。 实验装置布局巧妙，将由BBO晶体发出的纠缠光子对通过分束器分向两条路径，一路径进入单光子雪崩二极管（SPAD）探测器，另一路则经过双缝，后抵达时间门控强化CCD（ICCD）摄像机。ICCD摄像机仅在收到SPAD的触发信号后打开接收窗口，使得摄像机仅在关联光子到达时曝光，显著提高信噪比。在双缝所在路径，两个宽度为100微米、中心间距为500微米的狭缝，为光子提供了通过两条通道的可能性。通过调整摄像机所在的成像平面与远场干涉平面之间的光学系统，实验者能分别观察到双缝的直接影像和单光子的干涉条纹。
单光子干涉的形成依赖于被严格限定的空间相干性。由于BBO晶体是多模光源，它本身发射的光子包含多种空间模式组合，导致空间相干性低。为增强实验中双缝干涉的条纹对比度，实验中采用单模光纤仅采集与特定空间模式对应的预示光子，利用时间相关的光子对作为“单模”光源的模拟，确保只有该空间模式内的光子能触发摄像机。实验结果清晰表明，当采用单模预示探测时，摄像机捕获的干涉图案条纹清晰，空间相干性高；而采用多模光纤采集读取，则干涉条纹明显消失，仅余模糊的扩展光照分布，充分说明空间相干性对于单光子干涉图样形成的核心作用。 该实验不仅直观呈现了单光子干涉的逐渐形成过程，更通过不同模式条件下的对比，深化了对量子光学中位置与动量不确定性关系的理解。根据海森堡不确定原理，单一光子不能同时拥有精确的横向位置与动量信息。
知晓光子通过哪一条狭缝即相当于测量其横向位置，而观测干涉条纹则是测量光子的横向动量分布，两者彼此矛盾，导致必须放弃任何一方的精确信息以呈现另一方的干涉效果。该实验的单光子干涉视频让学习者能够从动态影像和逐帧快照中感受这一量子力学核心原理的现实体现。 不仅如此，研究团队还延伸研究了“鬼成像”和“鬼干涉”实验，即将双缝放置于不含摄像机的路径中，但利用时间相关性的纠缠光子对，摄像机探测的光子仍能够借助先导信号还原双缝的图像及其干涉条纹。鬼成像实验有效展示了空间非局域纠缠的奇异特性，挑战经典局域现实观念。为了精确描述鬼干涉中观察到的干涉条纹，研究者引用了Klyshko模型，假想光沿激光和光子发生装置一路逆行至摄像机，从而准确预测条纹间距。这种“时空反演”的理论模型虽抽象，却非常实用且广受认可，成为解释复杂纠缠光学现象的有力工具。
该实验的成功离不开时间门控强化CCD摄像机的技术进步。普通商业摄像机无法克服自身产生的暗电流噪声，难以实现单光子实时探测。而ICCD摄像机结合短暂曝曝光时间和预示激发方式，有效抑制了被称为“暗噪声”的干扰信号，实现了高信噪比下的单光子成像。这一技术突破不仅为基础物理研究铺平道路，也为量子成像、量子通信以及量子计算等前沿领域提供了实验平台。 在教学领域，该单光子双缝动态成像视频成为深具价值的教育资源。量子力学的抽象特征常常令初学者困惑，而通过精美且真实的动态视频，师生们能够以形象化的方式直观理解单光子干涉的过程和物理机制，有助于打破传统物理与量子物理之间的心理障碍，提升教学效果。
科研人员也借此强化对量子测量问题、纠缠态及量子非局域性的认识，拓展了新型量子实验的视野和应用前景。 值得一提的是，传统使用的光子计数技术往往需要长时间叠加统计，不能直接记录连续时空分布，而该实验利用时间相关预示信号，结合二维位置敏感的ICCD摄像机，实现了既空间又时间上的单光子精确定位测量。这赋予了研究者精准操控和测量单光子波函数空间分布的能力，提升了现代量子光学的实验水平。 此外，实验还探讨了量子力学中的测量问题和波函数塌缩本质。单光子通过双缝形成的干涉图样，反映了量子态的概率叠加特性，而测量过程则对应于波函数从叠加态塌缩为特定探测事件。纠缠光子对的空间非局域相关性加深了对这一测量问题的争议与探索，促使理论与实验持续融汇，推动理解深入量子本体论问题。
专家认为，尽管鬼成像及相关非局域现象常被误解为暗示远距离超光速信息传递，实际上，它们体现的更多是双光子系统整体波函数的局域与非局域特性，符合理论预测且未违反因果律。 展望未来，利用此类实验技术，可进一步探究更复杂的量子态、量子纠缠多体系统以及基于单光子干涉的量子信息处理方案。此外，对于低光强成像、量子隐形传态、量子加密等应用场景，该实验奠定了坚实的技术基础。科学社区亦在不断开发更高灵敏度的探测器、更快时间分辨率的成像装置以及更加灵活的量子光学控制手段，推动着量子物理实验的深化和普及。 总结来看，2016年通过视频记录实现的真正单光子双缝干涉实验，展现了从基础物理原理到先进技术应用的完美结合。它不仅向科学界提供了更为直观、实证的量子波粒二象性展示，也为教育领域输送了极具感染力的教学素材，更为量子科学的研究开辟了创新路径。
伴随着实验装置的普及和数据资源的共享，预期未来更多的大学和研究机构能够开展相关实验，激发新一代科学家探索量子世界深奥奥秘的热情。
![Ladybird Browser July Update [video]](/images/CFB5C143-5A55-4B07-BF46-85F3C7F2066A)
