作为量子通信与量子信息学的基础，量子纠缠现象一直是量子光学相关科学研究的热点之一。根据维基百科1，量子纠缠被定义为纯粹发生在量子系统中的物理现象，多个粒子在发生相互作用时，各个粒子所拥有的特性已综合成为整体特性，哪怕粒子被分隔的很远，也无法单独描述各个粒子的性质；对于两个相互纠缠的粒子如果改变其中一个粒子的相应特性，则另外一个粒子的相应特性也会同步发生改变。在具体的实验中，科学家们通过测量粒子的物理参数：位置、动量、角动量、自旋、偏振来验证粒子间的量子关联现象。
与其他的粒子相比，光子易于检测，并且其相关的物理特性参数容易被操控、改变，因而成为科学家们开展科学研究的宠儿。量子纠缠实验中，产生关联光子的典型方法为自发参量下转换（SPDC）的方法，其原理如图1 ：
图1 SPDC方法产生光子纠缠对
高能量的光子（波长为355nm或者405nm）泵浦非线性BBO晶体，由于晶体的非线性效应，产生一对纠缠态低能量的光子对（波长为710nm或810nm），利用光学元件（分光镜、半波片、四分之一玻片、相位板、聚光镜）操控改变其中一个光子的物理参数，在特定的时间延迟尺度上，利用单光子级别的光学成像探测器同步检测到另外一个光子相应物理参数的改变。
2013年，奥地利维也纳大学的Anton Zeilinger教授借助于一台Andor iStar系列的ICCD相机对量子纠缠现象进行了实时成像2，实验中检测的物理参量为光子的偏振。其成像光路如图2：
图2 实验光路
SPDC产生的光子对分别耦合进两路单模光纤（黄色），其中一个光子经过QHQ获得特定偏振态的光子，由单光子检测器检测，作为触发信号用于触发iStar ICCD对另外一路的光子做时间分辨成像；这另一路的光子由光纤延时（需要计算光子的传输延时以及iStar ICCD的插入延时）传输到干涉测量系统；干涉传输系统中包括偏振分光器，三个半波片，一个空间光调制器和一个45o检偏器，此系统中，通过旋转半波片并同时调整空间光调制器完成整个传输过程。通过iStar ICCD的高精度时间分辨（<2ns），在预设的5ns延迟时间内，对相关联的被触发光子做成像观测，经过严密的计算获得相应关联光子的偏振图样。利用此高时间分辨成像系统，作者完成了对以不同阶Laguerre-Gauss 模式传输的单光子成像，并且对很多对关联光子的偏振态变化进行了实时成像。
图3 以不同阶LG模式传输的光子图像
图4 实验光路
其实验光路和图2类似，由SPDC系统产生一对关联的光子对，在触发光路上，利用光学元件（反射镜，空间光调制器，四分之一玻片，聚光镜）构成的系统对其中一个光子进行操控；在同步成像光路上iStar ICCD采集的信号强度空间分布反映的是光子的轨道角动量的特征，通过对同步采集到图像的计算得到两个光子的统计关联参数S=2.44，在量子纠缠领域实现了对Bell不等式的的违反，直接证实了量子纠缠的存在。这篇文章首次证实了，在量子物理领域也可以通过经典的成像方法实现对量子物理理论（Bell不等式的违反）验证。
图5 不同相位对应的光子强度图像
我们注意到，在目前开展量子纠缠的研究中，都需要使用SPDC技术产生一对纠缠的光子，通过对其中一个粒子的某项物理参数（偏振，角动量）进行调控，单光子探测器接收到此光子后同步触发iStar ICCD对另外一个光子进行成像，上述介绍的两篇文献中使用的光子检测成像装置不约而同地选用了Andor的iStar系列ICCD相机。
iStar CCD 可选像管的量子效率
这得益于Andor的iStar系列ICCD具有优良的触发精度和灵活的时序控制以及高灵敏度的特性：
精确的时间控制精度
第一个也是最重要的一个就是此iStar ICCD具有精确的时间控制精度，时域 上小于2ns门宽保证了在时域空间精确采集到关联信号，图3b
中将延时从5ns改成10ns后，相关关联光子的信号就不能被相机接受，进一步证实了在量子纠缠领域精确的时间控制精度的重要性。我们注意到在文献2和3中都利用的时间延迟光纤，其长度分别是35米和20米左右，这给与了系统大约(100ns和67ns)的延迟控制，在时间尺度上补偿了APD触发iStar ICCD引入的插入延时(30~40ns)。此级别的时间延迟的补偿，iStar ICCD的小于2ns的时间门已经足够检测到量子纠缠的存在；
超高灵敏度
在具体的科研工作中，所需要检测的对象都是大于700nm的单光子级别的信号，iStar ICCD选用某些型号三代像增强器时在此波长附近的量子效率大于25%，加上MCP的增强效果，使此iStar ICCD的成像灵敏度不低于电子倍增型CCD（EMCCD相机可以说是单光子成像领域探测灵敏度的金标准探测器，具有单光子级别的优异灵敏度）；
超高的计数频率
Andor iStar系列ICCD提供的门重复频率高达500KHz，在1个CCD曝光周期实现最多对500K个信号的采集，最大化获得图像的信噪比。
参考文献：
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement
2. Robert Fickler, Mario Krenn, Radek Lapkiewicz, Sven Ramelow & Anton Zeilinger, Real-Time Imaging of Quantum Entanglement, Scientific Reports, 2013, 3:1914
3. Paul-Antoine Moreau, Ermes Toninelli, Thomas Gregory, Reuben S. Aspden, Peter A. Morris, Miles J. Padgett, Imaging Bell-type nonlocal behavior, Sci.Adv., 2019, 5: eaaw2563
