量子纠缠科研平台反哺实验教学的探索_丁智勇.pdf

量子纠缠科研平台反哺实验教学的探索丁智勇1，何娟1，叶柳2（1.阜阳师范大学 物理与电子工程学院，安徽 阜阳 236037；2.安徽大学 物理与光电工程学院，安徽 合肥 230039）摘要：量子纠缠是量子信息处理中一种重要的物理资源，其广泛应用于量子通信、量子计算、量子精密测量等领域。本文介绍了一种基于线性光学系统的量子纠缠科研平台，该平台可以实现双光子偏振纠缠态的制备、操控和测量。作者在开展科研活动的同时，秉持科研反哺实验教学的理念，对科研实验做了教学化设计和改造，开发了两项适用于本科教学的实验项目：量子纠缠态制备和纠缠特性测量。这是提升课程高阶性、培养学生创新实践能力的有效探索和尝试。关键词：量子光学；量子纠缠；科研平台；实验教学中图分类号：G642，O413文献标志码：A文章编号：1007-4260（2023）01-0106-05Research on Feedback Experiment Teaching of Quantum EntanglementResearch PlatformDING Zhiyong1,HE Juan1,YE Liu2(1.School of Physics and Electronic Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang 236037,China;2.School of Physics and Optoelectric Engineering,Anhui University,Hefei 230039,China)Abstract:Quantum entanglement is an important physical resource in quantum information processing,which is widelyused in quantum communication,quantum computation,quantum precise measurement and other fields.This paper introducesa quantum entanglement research platform based on linear optical system,which can realize the preparation,control and mea-surement of two-photon polarization entangled states.At the same time of carrying out scientific research activities,the au-thors adhere to the idea that the scientific research platform feeds back the experimental teaching.They design and reform thescientific research experiment teaching,and develop two teaching experiments for college students.One is the preparation ofquantum entangled states and another is the detection of entanglement properties.It is an effective exploration and attempt toimprove the high-level attribute of the curriculum and cultivate students innovative and practical ability.Key words:quantum optics;quantum entanglement;scientific research platform;experimental teaching量子信息科学是量子力学与信息科学相结合而产生的一个新兴交叉学科领域，经过四十多年的不断发展，现已展现出广阔的应用前景1。在 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要2中，“量子信息”被提及5次，并作为国家战略性科学计划和科学工程而被列入“科技前沿领域攻关”专栏。对量子信息科学的深入研究具有显著和深远的战略意义，该领域的发展水平已成为衡量一个国家科技实力的重要标杆。量子纠缠是存在于两体或多体量子系统中的一种最为奇特的关联现象，纠缠所导致的量子非局域性是微观世界的最基本属性3-4。一直以来，量子纠缠都被视为2023年2月第29卷第1期安庆师范大学学报（自然科学版）Journal ofAnqing Normal University（Natural Science Edition）Feb.2023Vol.29 No.1DOI：10.13757/34-1328/n.2023.01.018收稿日期：2021-12-13基金项目：教育部产学合作协同育人项目（202102247006），安徽省高等学校质量工程项目（2021jyxm1110，2021jxtd214，2020zyrc116，2020kfkc378）和阜阳师范大学教学研究项目（2020JYXM58，2020JYXM01）作者简介：丁智勇（1980），男，安徽无为人，博士，阜阳师范大学物理与电子工程学院副教授，研究方向为量子信息与实验教学。E-mail：第1期量子信息处理中一种重要物理资源，广泛应用于量子通信、量子计算、量子精密测量等领域。在未来量子信息技术必将助推新一轮工业革命，并对传统科学技术产生颠覆性的重大影响5。科学研究和人才培养是高等学校的基本职能，也是高校教师的使命任务。科研反哺教学，就是要充分利用科研平台硬件和软件的资源优势，合理发挥科研实践的育人功能，鼓励教师对科研仪器和科研活动进行有效教学化设计和改造以开发成课堂教学资源或实验教学项目，让学生在本科阶段参与一定的科研训练，培养创新实践能力，同时实现科研平台使用效益的最优化6-9。我们注意到，在科研上利用线性光学系统制备纠缠态的实验方法和手段已成熟可靠，然而很多高校并没有开设与量子纠缠相关的实验项目和实验内容。为了秉持科研反哺教学的理念，我们利用现有量子纠缠科研平台对科研实验做了教学化设计和改造，开发出了量子纠缠态制备和纠缠特性测量的教学项目实验，不仅更新了传统物理实验教学内容并提升了课程的高阶性，也为培养大学生的创新实践能力进行了有效探索和尝试。1传统实验课程在创新人才培养中的不足实验课程是实验技能和科学研究能力培养的主要载体。按照 物理学类教学质量国家标准 要求，物理基础实验是物理学专业的必修课程，由普通物理实验（力学、热学、电磁学、光学）和近代物理实验组成，其中，普通物理实验不少于128学时，而近代物理实验不少于64学时。目前，我校近代物理实验课程共开设12个实验项目，且大部分是20世纪的传统经典项目，如塞曼效应实验、电子自旋共振实验、液晶电光效应实验、微波光学实验、氢原子光谱实验，以及等离子体实验等。这些项目涉及的理论知识比较深奥，但是实验类型基本上属于验证性或综合性实验，其实验内容、结果和数据处理方法都是确定的。从仪器设备上来看，这类实验的仪器设备大多比较成熟，实验方案设计思路和实验方法较为类似，而实验操作过程也趋于程式化。这些实验项目的开设对于培养学生的基本实验素养具有一定作用，但并不利于培养学生的创新意识和创新能力。与此同时，实验教学实际亦与我校物理学国家一流本科专业建设点对创新人才培养的目标定位存在差距。从人才培养方案的课程设置来看，作为普通物理实验的延伸，近代物理实验无论是实验内容还是教学要求，都比普通物理实验更上一个层次10-11。因此，有必要对传统近代物理实验的教学内容进行改革。除了保留一些传统的经典实验项目，还应引入一些能够展现物理学前沿动态的开放性、设计性实验项目，以期充分调动学生的积极性，让学生在探索与体验的过程中领会物理思想，从而培养创新能力。结合学校的人才培养目标定位，利用已有科研实验的硬件和软件条件，合理开发一些适合于教学的近代物理实验项目，将现代科技手段融入本科实验教学，以增加实验课程的高阶性和前沿性，从而培养高素质创新人才，既可行也必要。将量子纠缠科研工作引入到近代物理实验中是科研反哺教学的一次尝试和实践。2量子纠缠科研实验的教学化设计2.1量子纠缠科研平台简介量子纠缠态的制备、操控和测量是量子信息处理的三大基本任务，根据所选择的量子态物理实体（光子、原子、离子、超导电路等）的不同，可以构造不同的量子信息实验系统。其中，线性光学系统以光子量子态作为量子信息编码载体，相较于其他量子系统，其最大优点是光子量子态抗噪能力强、相干时间较长，且可在室温下进行实验。此外，对光子量子态的操控和测量都比较方便，这些优点使得线性光学系统在量子信息处理中受到广泛欢迎12-15。在实验上，偏振纠缠光子对产生于激光泵浦非线性晶体的自发参量下转换（Spontaneous parametric down-conversion，SPDC）过程16。1999年，Kwiat等采用I型相位匹配的方法，选用高功率激光泵浦硼酸钡（B-barium borate，BBO）晶体，制备了高亮度偏振纠缠光子对17。随后，这种纠缠制备方法被广泛应用于线性光学系统，并成功制备了多光子纠缠态12。量子纠缠科研平台的实验装置如图1所示，主要分为三个功能模块：（a）纠缠源模块。该模块主要由半导体激光器（LD）、半波片（HWP）和BBO晶体等构成。LD发出的激光为水平线偏振光，波长405 nm，丁智勇，何娟，叶柳：量子纠缠科研平台反哺实验教学的探索 107安庆师范大学学报（自然科学版）2023年功率最高可达130 mW。HWP光轴与水平方向夹角为22.5，水平线偏振光通过HWP之后变为45线偏振光。线偏振光泵浦BBO晶体发生SPDC过程，由此产生的基频光子对成3角分离，波长810 nm。实验中可用一对直角反射棱镜将光子对在空间上分为A、B两路，即完成纠缠态的制备。（b）测量模块。该模块根据需要放置在A、B两路，每一路包括四分之一波片（QWP）、HWP和偏振片（POL）各一片。通过调节QWP和HWP光轴与水平方向夹角，可以构造出各种测量基，从而实现量子态局域投影测量。（c）符合计数模块。该模块由3 nm带宽干涉滤光片（IF）、单光子探测器（SPD）和符合计数仪（Coincidence）等构成。偏振纠缠光子对在经过IF后，会通过光纤准直器耦合到单模光纤并与SPD连接，将光信号转化为电信号，最终在Coincidence上显示出单位时间内A、B两路光子的输入计数和符合计数。（a）（b）（c）LDHWP BBOBMIRQWP POLIFSPDCoincidenceA图1实验装置图2.2实验原理与实验内容以I型BBO纠缠源为例，介绍双光子偏振纠缠态的制备原理。如图2所示，泵浦光为45线偏振光，用(|H +|V )/2表示，其中H表示水平偏振态，V表示竖直偏振态。泵浦光垂直入射到两片粘合在一起的切割角度相同的BBO晶体上，晶体#1的光轴位于垂直面内，而晶体#2的光轴位于水平面内。按照相位匹配条件，当泵浦光为水平（竖直）偏振态时，SPDC过程只发生在晶体#2（#1）内，产生竖直（水平）偏振的光锥。光锥张角由晶体切割角度决定，一般不超过5，可以近似看成共线倍频过程。由于晶体很薄，这两个光锥在空间上几近重合。如果在光锥的对称位置收集光子，就可以同时收集到偏振方向同为水平或者竖直的光子对。在实验上，到达接收器光子的偏振状态是不可预测的，在对其检测时，若其中一端检测出水平（或竖直）偏振态，那么另一端的偏振状态在瞬间塌缩为水平（或竖直）偏振态，这样就得到相干叠加的双光子偏振纠缠态，|=12(|HH +ei|VV )，（1）其中，相位角由相位匹配和晶体厚