物理实验教学成果 | 基于金刚石NV色心的量子调控教学实验拓展
发布时间:2022-10-24 17:42:55阅读次数:3056 推荐产品:

量子信息技术作为一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性创新技术,如何在日常教学中让学生理解量子信息科学的基本原理并进行基础的实验实践,成为了当前物理实验教学中的热点与难点。

近期,来自复旦大学物理学系的周诗韵老师与赵铮阳同学在《物理实验》杂志上联合发表了“基于金刚石NV色心的量子调控教学实验拓展”的研究成果,基于国仪量子开发的金刚石量子计算教学机,介绍了基于金刚石NV色心体系进行量子计算的基础内容,即量子比特的初始化、调控及读出,设计并拓展了拉比振荡相关教学内容。该研究获得了教育部产学合作协同育人项目与国仪量子(合肥)技术有限公司的支持。


01  教学实验


       量子计算实验理论内容丰富,操作难度较大,顺利完成实验并不代表学生真正理解其内涵。因此,讨论量子计算实验内容的教学设计与拓展十分必要。研究人员以国仪量子生产的基于金刚石NV色心的量子计算实验仪为基础开展量子计算教学实验,包含两部分内容:

a.学习基础的量子调控,了解量子计算基本知识,如量子比特的初始化、操控和读出等;

b.进行实际应用,学生通过实现经典的量子D-J算法,理解量子算法的优越性。

研究人员基于复旦大学的教学实践,着重讨论该实验的第一部分,即量子调控部分的教学内容与方法。



02 
实验拓展

为更好地帮助学生理解,研究人员设计并拓展了拉比振荡相关教学内容:通过拉比振荡实验,了解微波与自旋的相互作用,熟悉量子态的初始化及读出方法;讨论拉比振荡实验中微波频率的影响,从而引出测量共振频率的方法;通过连续波实验测量共振频率,并讨论测量过程中微波时长参量对测量结果的影响;改变磁铁位置,定性展示了NV色心的系综特性,让学生了解实际仪器中如何进行参量优化。

通过该教学设计,老师们可对学生进行启发式教学,引导学生主动思考,帮助学生对量子调控的原理和技术理解得更加全面,为进一步实现量子计算打下良好的基础。

量子信息科学是一项由物理学、信息科学等多学科交叉融合在一起形成的新兴科学技术,具有广基础、重交叉、注重科研实践、理论实验相结合等特点。所以,在日常教学实践中让学生参与量子信息科学的实验实践,对帮助学生全面理解量子信息科学的基础——量子调控的原理和技术具有重要价值。



03 
论文

04  《物理实验》杂志介绍

《物理实验》杂志创刊于1980年,是教育部主管、东北师范大学主办的学术期刊(物理类),是教育部物理学与天文学教学指导委员会的会刊,主要刊载物理实验成果,交流物理实验教学改革的新思想、新方法、新动态。


金刚石量子计算教学机  专注量子信息科学实验教学

金刚石量子计算教学机是一台基于金刚石中NV色心和自旋磁共振为原理,通过控制激光、微波、磁场等物理量,对NV色心的自旋进行量子操控和读出,从而实现量子计算功能的教学仪器。该仪器在室温大气条件下运行,无需低温真空环境,使得设备有着几乎为零的运行成本,桌面型的设计让它能适应各种不同的教学环境,无论是课堂还是实验室,都能轻松进行量子力学与量子计算实验教学。


金刚石量子计算教学机

今年8月,金刚石量子计算教学机在第十一届全国高等学校物理实验教学研讨会上,荣获教学仪器评比一等奖。

获奖证书与现场评比情况



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注:本文部分内容摘自赵铮阳,周诗韵.基于金刚石NV色心的量子调控教学实验拓展[J].物理实验,2022,42(04)