本科量子物理實(shí)驗(yàn)課程探索

陳麗清,吳 媛,尹亞玲,劉金梅

(華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,上海 200241)

近20年,量子物理領(lǐng)域取得多個(gè)重大進(jìn)展,如1997年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的冷原子制備[1-4]、2001年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)制備[5-8]、2018年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的引力波測(cè)量[9-12]、2022年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的糾纏態(tài)[13-18]及其在量子信息和量子計(jì)算中的應(yīng)用都是基于量子物理基本原理實(shí)現(xiàn)的. 其中,量子通信和量子計(jì)算機(jī)具有超強(qiáng)安全性、超大信道容量、超高通信速率以及超高隱蔽性等特點(diǎn),能夠填補(bǔ)當(dāng)前基于半導(dǎo)體的計(jì)算機(jī)和通訊發(fā)展短板. 與此同時(shí),基于量子精密測(cè)量的量子磁力計(jì)[19-21]、量子重力儀[22]、引力波測(cè)量[9-12]等量子測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度超越了經(jīng)典測(cè)量,成為精度最高的測(cè)量技術(shù). 總而言之,量子力學(xué)將在未來(lái)科技創(chuàng)新和社會(huì)發(fā)展中占據(jù)重要地位. 在高校物理專業(yè)開(kāi)設(shè)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生在本科期間能夠掌握一定的量子技術(shù),對(duì)于提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和專業(yè)素質(zhì)具有重要意義.

量子物理是講述微觀世界規(guī)律的科學(xué),其數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜,相關(guān)現(xiàn)象無(wú)法直接觀測(cè). 量子實(shí)驗(yàn)因涉及微觀現(xiàn)象及信號(hào)微弱,對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和采集探測(cè)裝置要求較高,造成大多數(shù)實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備昂貴,且操作和調(diào)試復(fù)雜,運(yùn)行成本高. 以上問(wèn)題是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中缺乏量子實(shí)驗(yàn)的根本原因,使量子物理教學(xué)處于“重理論、缺實(shí)驗(yàn)”的現(xiàn)狀,缺乏生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解微觀圖像.

本科物理實(shí)驗(yàn)的要求物理圖像清晰、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、儀器易操作易維護(hù)且價(jià)格低廉. 華東師范大學(xué)物理學(xué)專業(yè)量子物理實(shí)驗(yàn)課程團(tuán)隊(duì)以量子測(cè)量技術(shù)為核心,探索研發(fā)5個(gè)實(shí)驗(yàn):量子真空?qǐng)鰷y(cè)量與零拍測(cè)量技術(shù),引力波測(cè)量原理——激光干涉儀微小位移測(cè)量極限,海森堡不確定關(guān)系,量子壓縮光場(chǎng)的產(chǎn)生和光量子干涉儀. 該系列實(shí)驗(yàn)涵蓋量子力學(xué)課程基本概念——真空不空和海森堡不確定關(guān)系,傳統(tǒng)的量子技術(shù)——平衡零拍測(cè)量和激光干涉測(cè)量極限,以及當(dāng)前最前沿的量子技術(shù)——量子光源以及量子干涉儀. 面向拔尖班開(kāi)設(shè)量子物理實(shí)驗(yàn)課程,完成了4年教學(xué),取得了較好的教學(xué)效果. 本文將詳細(xì)介紹量子物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀和虛擬仿真實(shí)驗(yàn),分析將其作為本科物理實(shí)驗(yàn)課程的可行性和可普及性,為全國(guó)高校開(kāi)設(shè)量子實(shí)驗(yàn)課程提供參考.

1 量子真空?qǐng)鰷y(cè)量

量子真空?qǐng)鍪橇孔游锢砼c經(jīng)典物理最大不同之一. 經(jīng)典物理認(rèn)為真空中沒(méi)有能量. 量子物理認(rèn)為真空中存在真空?qǐng)?其平均振幅為零,振幅隨機(jī)起伏,起伏幅度為單光子水平,一般探測(cè)器無(wú)法探測(cè),這也是經(jīng)典物理認(rèn)為真空中沒(méi)有能量的緣由. 在實(shí)際測(cè)量中,極其微弱的真空?qǐng)鍪歉呔葴y(cè)量系統(tǒng)噪聲的主要來(lái)源,也是限制測(cè)量精度提升的主要原因. 將量子真空?qǐng)鰷y(cè)量作為物理學(xué)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn),可以讓學(xué)生在本科期間掌握一定的量子技術(shù),加深對(duì)量子物理的理解.

文獻(xiàn)[23]報(bào)導(dǎo)了利用平衡零拍探測(cè)技術(shù)測(cè)量量子真空漲落的本科實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)光路原理如圖1所示.

圖1 真空?qǐng)鰷y(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖

激光束a與真空?qǐng)鲈诜质魃媳痪譃楣馐鳤和光束B(niǎo),分別被2個(gè)光電探測(cè)器探測(cè),經(jīng)過(guò)減法器相減后的電信號(hào)進(jìn)入頻譜分析儀,給出相減后信號(hào)的方差.從量子力學(xué)原理出發(fā)進(jìn)行計(jì)算,頻譜分析儀測(cè)量的電信號(hào)方差為入射激光的光子數(shù)目N與真空?qǐng)銎鸱某朔e:

Var (I)=N〈VV+〉,

(1)

其中,N為入射光子數(shù),V為真空?qǐng)?也就是頻譜分析儀測(cè)量到的方差為放大了N倍的真空?qǐng)?當(dāng)真空?qǐng)稣穹鶠?,則測(cè)量方差為0;當(dāng)真空?qǐng)稣穹粸?,則測(cè)量方差與激光光強(qiáng)成正比.調(diào)節(jié)激光光強(qiáng)到合適范圍,使用常規(guī)的光電探測(cè)器可以清晰觀察到真空?qǐng)稣穹鸱?

具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,其中,氦氖激光器S發(fā)出的光經(jīng)過(guò)衰減器A后,被分束器BS分束,1束直接透射進(jìn)入探測(cè)器,另1束反射進(jìn)入探測(cè)器D. 依托該實(shí)驗(yàn)裝置,可完成的教學(xué)內(nèi)容包括:

圖2 真空?qǐng)鰷y(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖

a.引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)量子力學(xué)基本原理計(jì)算出零拍技術(shù)測(cè)量量子真空?qǐng)龅睦碚摴?

b.根據(jù)公式自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并完成光路搭建,掌握零拍測(cè)量技術(shù),使用頻譜分析儀測(cè)量真空?qǐng)龅恼穹鸱?

c.比較理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析真空?qǐng)龅奶匦?

最終,通過(guò)真空能量起伏與零拍測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn),學(xué)生將學(xué)會(huì)零拍測(cè)量的量子力學(xué)計(jì)算過(guò)程,搭建零拍測(cè)量光路和裝置,掌握頻譜分析儀的原理和使用方法,觀測(cè)真空的能量起伏,深入了解真空?qǐng)龅奶匦?

2 引力波測(cè)量原理演示實(shí)驗(yàn)

2.1 激光干涉儀測(cè)量極限實(shí)驗(yàn)

引力波測(cè)量是近幾年天文學(xué)和精密測(cè)量領(lǐng)域的重大進(jìn)展. 激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)是借助于激光干涉儀測(cè)量來(lái)自宇宙深處引力波的大型研究?jī)x器[24],其裝置為超大型邁克耳孫干涉儀,邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)是通過(guò)對(duì)空間條紋的計(jì)數(shù)來(lái)研究光干涉原理,實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量.

用于測(cè)量引力波的邁克耳孫干涉儀關(guān)注激光干涉儀的噪聲極限來(lái)源及其對(duì)微小位移測(cè)量精度的限制. 目前,LIGO測(cè)量精度為10-21m,其噪聲主要來(lái)源于真空?qǐng)?微小位移測(cè)量精度同樣受限于真空?qǐng)稣穹鸱?

引力波測(cè)量原理演示實(shí)驗(yàn)采用小型激光干涉儀,對(duì)激光干涉測(cè)量微小位移精度極限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,幫助學(xué)生理解量子真空?qǐng)鱿拗萍す飧缮嬉Σy(cè)量精度的物理原因以及引力波測(cè)量需要高達(dá)幾百瓦功率激光的原因. 本科學(xué)生能夠計(jì)算并理解,該實(shí)驗(yàn)的量子物理原理且實(shí)驗(yàn)裝置搭建相對(duì)簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰.

具體實(shí)驗(yàn)原理光路如圖3所示[25]. 首先,激光束a與真空?qǐng)鼋?jīng)過(guò)分束器分為2個(gè)干涉光束(光束A和光束B(niǎo));然后,2個(gè)干涉光束各自在自由空間傳播,微小位移Δl引起相應(yīng)的相移Δθ=2πΔl/λ,其中λ為激光波長(zhǎng),最后,2個(gè)干涉光束經(jīng)過(guò)分束器合束為干涉輸出C和D. C 和D的光強(qiáng)隨著2個(gè)干涉光束之間的相位差變化. 因此,可通過(guò)測(cè)量C和D的強(qiáng)度變化得到相位變化,繼而推測(cè)出產(chǎn)生相位移動(dòng)的微小位移值. 其中,C和D強(qiáng)度的最小可測(cè)量值Var(I)(干涉噪聲極限)對(duì)應(yīng)著位移的最小可測(cè)值.根據(jù)量子力學(xué)計(jì)算結(jié)果,C和D的最小可測(cè)量值為

圖3 激光干涉儀測(cè)量微小位移原理圖

Var (I)=N〈VV+〉 (sinφ)2,

(2)

其中,N為入射光子數(shù),V為真空?qǐng)?φ為2個(gè)干涉臂相位差,也就是真空?qǐng)霰患す夥糯?成為激光干涉相位精度提升的限制因素. 原理上,N越大,相位測(cè)量精度越高,通過(guò)改變?nèi)肷浼す鈴?qiáng)度能夠驗(yàn)證該結(jié)論,這也是用于引力波測(cè)量的激光干涉光強(qiáng)需要高達(dá)幾百瓦的物理原理.

學(xué)生實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示,氦氖激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)衰減器后,進(jìn)入馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x. 該干涉儀包括2個(gè)分束器和多面反射鏡. 干涉儀輸出被探測(cè)器探測(cè). 依托該實(shí)驗(yàn)裝置,可完成的教學(xué)內(nèi)容包括:

圖4 激光干涉儀測(cè)量微小位移實(shí)驗(yàn)裝置圖

a.掌握激光干涉與微小位移之間的關(guān)系;

b.根據(jù)理論公式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,動(dòng)手搭建并調(diào)節(jié)激光干涉儀,得到干涉圖樣,干涉對(duì)比度達(dá)到90%以上;

c.測(cè)量干涉儀在不同相位φ下的信噪比,得到不同相位下的微小位移測(cè)量靈敏度;

d.理論分析激光干涉測(cè)量引力波引起的微小位移需要的條件(激光強(qiáng)度、激光噪聲、激光干涉臂長(zhǎng)等).

通過(guò)原理計(jì)算、實(shí)驗(yàn)裝置搭建與調(diào)試、數(shù)據(jù)采集與分析等過(guò)程,學(xué)生可以掌握部分高精度干涉技術(shù)和噪聲量子極限的測(cè)量技術(shù).

2.2 激光干涉引力波測(cè)量虛擬演示實(shí)驗(yàn)

從1905年愛(ài)因斯坦提出引力波的概念到2016年首次測(cè)量到引力波,歷經(jīng)近百年時(shí)間. 引力波測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,得益于眾多物理學(xué)家和工程技術(shù)人員的努力. 激光干涉測(cè)量極限實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)技術(shù)上演示了量子力學(xué)原理和量子技術(shù)在引力波測(cè)量中的重要性. 在激光干涉引力波測(cè)量裝置中,有高精度法布里-珀羅光學(xué)腔的輔助、大型真空腔的工程技術(shù)、高功率低噪聲激光器等,而這些高精尖技術(shù)無(wú)法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)際實(shí)驗(yàn). 為了能夠更好地體現(xiàn)激光干涉引力波測(cè)量中的物理和工程技術(shù),設(shè)計(jì)了引力波測(cè)量虛擬演示實(shí)驗(yàn),全方位還原LIGO裝置和測(cè)量過(guò)程.

通過(guò)激光干涉儀引力波測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),可以幫助學(xué)生了解前沿技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)從書(shū)本知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過(guò)渡.

3 海森堡不確定關(guān)系

海森堡不確定關(guān)系是量子力學(xué)基本原理之一,從量子力學(xué)課程中,學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到海森堡不確定關(guān)系公式及其只在微觀世界有意義的特性. 原子、電子、光子等微觀粒子都滿足海森堡不確定關(guān)系,但是具體用于開(kāi)展海森堡不確定關(guān)系實(shí)驗(yàn),需要解決2個(gè)問(wèn)題:a.需要大量的粒子;b.微弱信號(hào)的測(cè)量技術(shù). 海森堡不確定關(guān)系式中,無(wú)論動(dòng)量位置還是能量壽命或者其他相互正交量之間的不確定度乘積,均是10-34量級(jí),信號(hào)微弱,對(duì)測(cè)量?jī)x器的精度要求較高. 另外,微弱信號(hào)的采集也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要解決的問(wèn)題. 由于原子和電子數(shù)目較少且相互之間通常沒(méi)有相干關(guān)聯(lián),而量子現(xiàn)象需要通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)事例得到,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),且對(duì)設(shè)備穩(wěn)定度等要求很高. 因此,在多個(gè)原子和電子之間建立相干關(guān)聯(lián)和縮減統(tǒng)計(jì)時(shí)間非常困難.

海森堡不確定關(guān)系實(shí)驗(yàn)[26]利用激光是相干光源的特性,結(jié)合平衡零拍探測(cè)技術(shù),解決了上述2個(gè)問(wèn)題. 在量子理論中,量子化光場(chǎng)常用振幅算符和相位算符表示,2個(gè)算符正交且滿足海森堡不確定性關(guān)系. 采用激光結(jié)合零拍測(cè)量技術(shù)開(kāi)展海森堡不確定關(guān)系實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)為:a.激光中包含大量具有相干關(guān)聯(lián)的光子,確保短時(shí)間內(nèi)有足夠的統(tǒng)計(jì)事例. b.通過(guò)零拍測(cè)量技術(shù)對(duì)光子的振幅和相位正交分量的微弱信號(hào)進(jìn)行1013～1015倍放大,采用普通光電探測(cè)器就能夠測(cè)量到放大的量子正交算符的振幅和相位正交分量.

海森堡不確定關(guān)系實(shí)驗(yàn)光路原理如圖5所示,同樣由1束入射激光經(jīng)分束器BS1分為光束1和2,經(jīng)反射鏡反射后分別為a和b,采用壓電陶瓷控制2束光場(chǎng)之間相位差,最后在BS2上合束,合束后為c和d,當(dāng)a為弱光場(chǎng),b為強(qiáng)光場(chǎng),則c和d為b對(duì)a的平衡零拍放大結(jié)果,經(jīng)過(guò)探測(cè)器探測(cè),相減后輸入到頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量和分析,最終頻譜分析儀輸出結(jié)果為弱光場(chǎng)a的方差為

M.反射鏡 HD.平衡零拍探測(cè) BS.光學(xué)分束器A.可調(diào)衰減片 S.激光器 SA.頻譜分析儀 PZT.壓電陶瓷 D.光電探測(cè)器圖5 海森堡不確定關(guān)系實(shí)驗(yàn)原理圖

Δ2=N[(ΔX)2cos2θ+(ΔY)2sin2θ],

(3)

其中,N為b光場(chǎng)的光子數(shù),(ΔX)2和(ΔY)2為a光場(chǎng)的振幅正交分量方差,θ為a和b的相位差.光場(chǎng)振幅正交算符X方差和相位正交算符Y的方差,滿足海森堡不確定關(guān)系.在不同的相位差θ下,能夠分別測(cè)量出振幅和相位正交算符方差,代入式(3),驗(yàn)證光場(chǎng)振幅和相位正交算符海森堡不確定關(guān)系是否成立.

具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示,相關(guān)實(shí)驗(yàn)器件同上. 依托該實(shí)驗(yàn)裝置,可完成的教學(xué)內(nèi)容包括:

圖6 海森堡不確定關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置圖

a.掌握光子振幅和相位正交算符的海森堡不確定關(guān)系式;

b.根據(jù)關(guān)系式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,搭建相干光的零拍測(cè)量光路,測(cè)量相干光的相位和振幅正交分量,驗(yàn)證海森堡不確定關(guān)系式.

4 連續(xù)變量量子光源

量子光源是實(shí)現(xiàn)量子精密測(cè)量和量子信息等的基礎(chǔ). 當(dāng)今國(guó)際比較成熟的量子光源有連續(xù)變量和分離變量2類,單光子和糾纏光子對(duì)屬于分離變量量子光源[27-28]. 分離變量量子光源的泵浦光源為氬離子激光器或者鈦寶石激光器,激光作用在非線性晶體上,發(fā)生參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程,同時(shí)出射1對(duì)糾纏光子,用4個(gè)單光子探測(cè)器分別對(duì)2個(gè)光子進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證其糾纏特性. 如果對(duì)其中1個(gè)光子進(jìn)行塌縮測(cè)量,那么另1個(gè)光子就為后選擇式單光子. 將單光子源或者糾纏源以BB84方案進(jìn)行傳輸通訊,可構(gòu)成量子保密通訊. 分離變量實(shí)驗(yàn)裝置一般昂貴,大多需要?dú)咫x子激光器或者鈦寶石激光器,產(chǎn)生單光子和糾纏源的裝置光路比較復(fù)雜,且單光子探測(cè)器非常脆弱,容易損壞,維護(hù)成本高.

單模壓縮光場(chǎng)和雙模壓縮光場(chǎng)為連續(xù)變量量子光源[29-31],這類量子光源關(guān)注的是光場(chǎng)本身的噪聲壓縮特性,比激光噪聲小,常作為連續(xù)變量量子通訊光源以及量子精密測(cè)量光源. 以往通過(guò)非線性晶體中參量轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生,與單光子以及糾纏光子的產(chǎn)生裝置類似,光路復(fù)雜、不易維護(hù),所不同的是,探測(cè)器為常規(guī)光電探測(cè)器.

文獻(xiàn)[32]報(bào)道了通過(guò)1束很弱的激光與原子氣體發(fā)生偏振自旋轉(zhuǎn)法拉第效應(yīng),產(chǎn)生單模壓縮光場(chǎng). 該實(shí)驗(yàn)所需要的激光強(qiáng)度非常弱,約為5～40 mW,由1臺(tái)常規(guī)的半導(dǎo)體激光器提供;原子氣體封裝在玻璃池內(nèi),實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,探測(cè)器為硅光電探測(cè)器,擊穿閾值高,不易損壞,且本科生易于理解,光路易于搭建,維護(hù)簡(jiǎn)單,非常適合作為本科實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)光路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,1束激光與87Rb原子氣體相互作用,激光頻率與原子共振,發(fā)生偏振自旋轉(zhuǎn)效應(yīng),產(chǎn)生壓縮光場(chǎng),壓縮光場(chǎng)與入射激光偏振相互垂直. 采用零拍測(cè)量可以直接觀測(cè)到壓縮光場(chǎng)的噪聲特性. 掃描局域振蕩場(chǎng)相位,在某些相位下,壓縮光場(chǎng)正交算符起伏小于真空?qǐng)?另一些相位下,正交算符起伏大于真空?qǐng)? 利用量子壓縮光場(chǎng)特性,能夠更直觀地驗(yàn)證海森堡不確定關(guān)系式[33].

圖7 基于原子氣體的壓縮真空光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)原理

具體學(xué)生實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示. 其中,激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)分束器(BS1)后,一束光進(jìn)入Rb原子池1確定激光器的頻率. 另一束光經(jīng)過(guò)半波片1和偏振分束器后,進(jìn)入原子池2獲得壓縮光場(chǎng). 該壓縮光場(chǎng)為平衡零拍探測(cè)裝置,完成壓縮度探測(cè).

圖8 量子壓縮光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

依托該實(shí)驗(yàn)裝置,可完成的教學(xué)內(nèi)容包括:

a.了解量子壓縮光場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)理,理解量子光場(chǎng)相位和振幅正交分量的量子壓縮特性;

b.掌握一定的前沿量子技術(shù),實(shí)驗(yàn)得到量子壓縮光場(chǎng),測(cè)量量子光場(chǎng)的相位以及振幅噪聲,得到相位和振幅測(cè)不準(zhǔn)度乘積,并與標(biāo)準(zhǔn)量子極限以及海森堡極限進(jìn)行比較;

c.思考采用量子技術(shù)得到量子光場(chǎng),量子測(cè)量精度是否可以突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限以及海森堡極限.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置搭建與調(diào)試、數(shù)據(jù)采集與分析等一系列過(guò)程,可以讓學(xué)生了解量子前沿技術(shù)的發(fā)展,鼓勵(lì)學(xué)生探索微觀世界的奧秘,發(fā)現(xiàn)微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律之美.

5 突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的激光干涉儀

常規(guī)的激光干涉儀相位或者微小位移測(cè)量精度受限于真空?qǐng)銎鸱?也稱標(biāo)準(zhǔn)量子極限. 將上述壓縮真空光替代真空?qǐng)鲎⑷爰す飧缮鎯x,能實(shí)現(xiàn)突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的量子激光干涉儀,這也是advanced LIGO實(shí)驗(yàn)原型[34]. 量子光源比量子真空?qǐng)龅哪芰科鸱?最終的干涉相位靈敏度要優(yōu)于常規(guī)的激光干涉儀,突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的限制. 此實(shí)驗(yàn)為當(dāng)前最前沿的量子測(cè)量技術(shù)之一.

光路如圖9所示,與實(shí)驗(yàn)2相似,所不同的是將前面產(chǎn)生的量子壓縮光場(chǎng)注入激光干涉儀,替代原本的真空?qǐng)?最終觀察干涉輸出場(chǎng)的方差,干涉測(cè)量相位靈敏度受限于量子壓縮光場(chǎng)起伏,實(shí)驗(yàn)得到超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的相位靈敏度[35].

圖9 量子干涉儀實(shí)驗(yàn)光路圖

依托該實(shí)驗(yàn)裝置,可完成的教學(xué)內(nèi)容包括:

a.了解量子光場(chǎng)降低測(cè)量噪聲的原理,搭建光量子干涉儀,實(shí)驗(yàn)測(cè)量干涉噪聲,實(shí)現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的干涉儀噪聲;

b.對(duì)比普通激光干涉儀和量子干涉儀的優(yōu)缺點(diǎn),分析采用量子技術(shù)的量子干涉儀對(duì)于降低引力波測(cè)量技術(shù)難度的優(yōu)勢(shì).

通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置搭建與調(diào)試、數(shù)據(jù)采集與分析等一系列過(guò)程,可以讓學(xué)生了解量子精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,提升自身適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的科學(xué)思維能力.

6 總結(jié)與分析

適合本科生教學(xué)的量子物理實(shí)驗(yàn)課程優(yōu)化了微觀量子物理的教學(xué)模式,打破了量子理論“重理論,缺實(shí)驗(yàn)”的傳統(tǒng)教學(xué)模式,引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中掌握引力波探測(cè)中的量子實(shí)驗(yàn)技術(shù)的同時(shí),著重通過(guò)設(shè)計(jì)與前沿科技緊密銜接的實(shí)驗(yàn),助力物理卓越人才培養(yǎng).

本課程在大學(xué)第3學(xué)年春季學(xué)期開(kāi)設(shè),共計(jì)18學(xué)時(shí),包括3課時(shí)的緒論,3課時(shí)的學(xué)生展演匯報(bào),12課時(shí)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐. 課程開(kāi)展過(guò)程采用“任務(wù)式、合作式、項(xiàng)目式、探究式”等教學(xué)方法,使教學(xué)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)由“教”向“學(xué)”的轉(zhuǎn)變,體現(xiàn)以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的教學(xué)理念. 授課過(guò)程中,按照“六步法”開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué),即:課前預(yù)習(xí)→小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案→搭建并調(diào)試實(shí)驗(yàn)光路→解決問(wèn)題→采集分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果→課后聚焦技術(shù)難題并思考給出解決方法. 重點(diǎn)在于通過(guò)層次遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn),將引力波探測(cè)這一前沿科技進(jìn)行充分演示和講解.

具體而言,授課前,教師提供實(shí)驗(yàn)講義、微課視頻,并通過(guò)預(yù)設(shè)的思考問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生自主預(yù)習(xí),完成自主探究,符合“任務(wù)式”教學(xué)理念. 課堂中,一方面,通過(guò)引力波測(cè)量原理的發(fā)展歷程以及我國(guó)量子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,引導(dǎo)學(xué)生完成展演匯報(bào);另一方面,通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐,完成量子測(cè)量知識(shí)傳授和技術(shù)培養(yǎng). 其中,展演匯報(bào)符合“合作式”教學(xué)理念;實(shí)驗(yàn)實(shí)踐符合“項(xiàng)目式、探索式”教學(xué)理念. 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中,教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)光路的熟悉程度、創(chuàng)新性、完整性、功能性以及最終的數(shù)據(jù)分析完成對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程的綜合評(píng)價(jià).

通過(guò)本課程,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中熟練搭建光路、掌握頻譜分析儀的原理和使用方法. 更為重要的是,結(jié)合最新的科研進(jìn)展拓展課程內(nèi)容,鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程基礎(chǔ)上,自行探索最新的量子實(shí)驗(yàn)技術(shù),加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力. 本次量子物理實(shí)驗(yàn)課程探索,使本科生在掌握量子物理基本原理及相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的同時(shí),了解前沿科學(xué)技術(shù)發(fā)展,提升自身適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的科學(xué)思維能力、創(chuàng)造創(chuàng)新能力和理論聯(lián)系實(shí)際等能力,為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ).