从古至今，光始终是科学史上最神秘的谜题之一。牛顿曾坚信光由粒子组成，而惠更斯则主张光的波动说。直到19世纪，一位英国医生仅通过一盏油灯和两条狭缝，为这场争论画上了惊叹号——但也由此开启了更深的量子迷雾。

杨氏双缝实验：首次验证光的干涉

英国物理学家托马斯·杨被誉为“世界上最后一个全才”，他的本职工作是医生，但在行医之余，他也花了许多时间研究物理。1801年，杨通过著名的双缝实验证实了光的波动性质。

对于波（如水波、声波、光波）而言，形成干涉的前提是两个波具有相干性，即它们的波形、频率和波长应该相同。当两束光波相遇时，如果波峰和波峰对齐，光的强度就会增加（相长干涉）；如果波峰和波谷正好抵消，光的强度就会减少（相消干涉）。

最典型的相干光是激光，而普通光源都是不相干的，杨的创举之一在于他用普通光源就完成了干涉实验。他是怎么做到的？在实验中，光首先通过一个单缝，这个单缝的作用是将光源限制成一束相干光。将光束限制在一个相对狭窄的区域，这就使得通过单缝的光束在空间上变得一致和方向集中。

（杨氏双缝实验）

然后，从单缝通过的相干光束进入双缝，每个缝隙都会作为新的波源，发出两束相干的光波。根据两束光波的波峰和波谷的对齐关系，形成亮纹或暗纹。

这个实验彻底动摇了牛顿的“光的粒子说”。如果光只是粒子，它应该像子弹一样穿过双缝后留下两条亮痕；然而，实际观察到的干涉条纹却揭示了光的波动性质。

从经典向量子的跨越：单光子干涉

1905年，爱因斯坦基于光电效应提出光量子假说：光的能量由离散的光子携带，每个光子能量为E=hυ（h为普朗克常数，υ为频率）。这一发现颠覆了经典物理对光的认知——光既是波（如杨氏实验所示），也是粒子（以光子形式存在），这种现象称为波粒二象性。

在此背景下，物理学家开始好奇，假设在双缝实验中每次只发射一个光子，会出现什么现象呢？20世纪中叶，随着弱光源与单光子探测技术的发展，物理学家实现了单光子级别的双缝实验。按常理推测，一个光子要么从左边狭缝通过，要么从右边通过，最终屏幕上应该只留下两条亮痕。

（单光子双缝实验）

但实验结果让所有人震惊：即便每次只发射一个光子，经过数小时积累后，屏幕上依然出现了明暗相间的干涉条纹！单个光子似乎能够“分身”同时穿过两条狭缝，并与自己发生干涉。更神奇的是，若试图探测光子具体通过哪条缝，干涉条纹消失，屏幕只留下两条亮痕。

（观测行为导致干涉条纹消失）

杨氏双缝实验（经典干涉）与单光子干涉（量子干涉）看似相似，实则揭示了物理世界从经典到量子的本质跨越。单光子干涉无法用经典光波理论进行解释，必须用量子力学来描述。杨氏双缝实验显示了光的波动性，而单光子干涉揭示了光的波粒二象性：光子作为粒子被探测到，却像波一样传播和干涉。

单光子干涉的现代实现：迈克尔逊干涉仪

随着量子技术的飞速发展，基于单光子干涉的精密测量系统已成为现代科研与工程应用的核心工具。迈克尔逊干涉仪凭借其经典设计与量子光学的结合，成为实现单光子干涉的理想平台。

传统迈克尔逊干涉仪由以下核心组件构成：

• 激光光源：通过激光产生的光具有高度的相干性；
• 分光镜：将入射光分为两束，分别沿互相垂直的路径传播；
• 反射镜：两束光经固定镜（参考臂）与可移动镜（测量臂）反射后返回；
• 干涉屏幕：两束光重新汇聚并在屏幕上产生干涉条纹。

在经典光学中，迈克尔逊干涉仪通过调整测量臂的长度改变光程差，从而观测干涉条纹移动，被广泛应用于长度测量与光谱分析。

（迈克尔逊干涉仪基本结构）

而今天我们将介绍的单光子干涉模块在传统迈克尔逊干涉仪结构的基础上进行了量子化升级：

• 单光子源：量子纠缠系统作为“预告式单光子源”产生单光子。单光子源能够精确控制光子数目，使得实验能够探测和研究单光子的行为。
• 单光子探测器和符合计数技术：传统干涉实验中，光的干涉图样通常通过光强变化来显示。在量子实验中，单光子探测器和符合计数技术使得我们可以在单光子级别进行精确的探测，捕捉单个光子通过干涉仪后产生的信号，并且通过符合计数技术可以进一步排除背景噪声，精确测量干涉效应。在量子光学实验中，单光子级别的探测能带来更高的精度和可靠性。

（九章量子单光子干涉实验模块）

（单光子干涉统计结果）

从托马斯·杨手持油灯演示双缝实验的19世纪初，到如今实验室中精确操控单光子的量子时代，人类对光的探索始终与干涉现象紧密交织。

九章量子的单光子干涉模块为学生和科研人员提供了直观且易于操作的实验平台。简单几步，轻松演示单光子干涉现象，帮助学生更好地理解量子力学的基本概念。无论是在课堂教学还是实验演示中，都能为你的教学增添生动的量子实验体验，让学生亲身感受量子世界的奇妙。