本發(fā)明涉及量子物理及光學(xué)測(cè)量，尤其涉及一種驗(yàn)證量子疊加原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示裝置、演示方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在量子力學(xué)中，粒子的狀態(tài)是不確定的并以概率的形式存在。這種概率性的描述使得粒子可以處于多個(gè)狀態(tài)的疊加。量子系統(tǒng)的態(tài)由波函數(shù)描述，波函數(shù)的平方|ψ|2為系統(tǒng)處于某個(gè)特定狀態(tài)的概率密度。如果一個(gè)量子系統(tǒng)處于態(tài)|ψ1>和態(tài)|ψ2>的線性疊加態(tài)此量子態(tài)的概率密度為

2、

3、可以看出，疊加態(tài)的概率分布不是原來(lái)兩個(gè)波函數(shù)的概率之和，而是出現(xiàn)了一種概率上的干涉。這意味著量子系統(tǒng)的狀態(tài)不僅僅是各個(gè)獨(dú)立狀態(tài)的簡(jiǎn)單組合，而是存在著相互之間的相位關(guān)系，這種相位關(guān)系導(dǎo)致了量子干涉現(xiàn)象。因此，量子疊加態(tài)體現(xiàn)了量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的根本區(qū)別，揭示了微觀世界的概率性和非確定性，使得已經(jīng)接受了經(jīng)典物理學(xué)教育的學(xué)生難以適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，當(dāng)對(duì)一個(gè)處于疊加態(tài)的粒子進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，波函數(shù)會(huì)從一個(gè)疊加態(tài)瞬間塌縮為其中一個(gè)確定的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程是隨機(jī)的且不可預(yù)測(cè)。因此，我們通常無(wú)法直接“看見(jiàn)”一個(gè)量子系統(tǒng)處于疊加態(tài)，導(dǎo)致學(xué)生難以把握測(cè)量前后量子態(tài)的變化。此外，雖然疊加態(tài)原理已經(jīng)通過(guò)雙縫實(shí)驗(yàn)、量子延遲選擇實(shí)驗(yàn)以及量子擦除實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，但這些實(shí)驗(yàn)通常需要復(fù)雜的設(shè)備和嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生通常很難有機(jī)會(huì)親自進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)。因此，設(shè)計(jì)適合本科教學(xué)的疊加態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置和演示方法對(duì)于學(xué)生深入理解量子世界的本質(zhì)，發(fā)展量子技術(shù)以及探索自然界的基本規(guī)律具有深遠(yuǎn)的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)合適教學(xué)用演示裝置的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種驗(yàn)證量子疊加態(tài)原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示方法及演示裝置，旨在將量子力學(xué)物理基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，幫助學(xué)生理解量子力學(xué)中的疊加態(tài)概念，使得本科生對(duì)于量子力學(xué)基礎(chǔ)概念的理解更加深刻。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種驗(yàn)證量子疊加態(tài)原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示裝置，包括：沿光路依次設(shè)置的相干光源、衰減片、起偏器、第一λ/2波片、λ/4波片、第二λ/2波片、偏振分束器、光子計(jì)數(shù)器和脈沖計(jì)數(shù)器；其中，

3、所述相干光源，其用于產(chǎn)生單色的頻率穩(wěn)定相干光場(chǎng)；

4、所述衰減片，其用于改變所述相干光源的光強(qiáng)大小，將光強(qiáng)降低至pw量級(jí)，獲得單光子量級(jí)的入射光；

5、所述起偏器，其用于將所述相干光場(chǎng)轉(zhuǎn)換為水平線偏振光并輸出；

6、所述第一λ/2波片，其用于通過(guò)改變光軸方向調(diào)節(jié)并控制所述水平線偏振光的偏振方向，從而實(shí)現(xiàn)任意比例的垂直偏振光和水平偏振光的疊加；

7、所述λ/4波片，其用于改變水平偏振光和垂直偏振光的相對(duì)相位。當(dāng)所述λ/4波片的快軸為豎直方向時(shí)，水平偏振光在所述λ/4波片中沿著慢軸方向傳播，僅改變所述水平偏振光的相位，改變量為π/2；當(dāng)所述λ/4波片的快軸為水平方向時(shí)，垂直偏振光在所述λ/4波片中沿著慢軸方向傳播，僅改變所述垂直偏振光的相位，改變量為π/2；

8、在一個(gè)具體實(shí)施過(guò)程中，所述λ/4波片固定安裝在光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，其用于改變水平偏振光和垂直偏振光的相對(duì)相位。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，使所述λ/4波片沿著光軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，可以改變所述水平線偏振光通過(guò)λ/4波片的厚度，控制改變所述水平偏振光和所述垂直偏振光的相位差值；

9、所述第二λ/2波片，其用于調(diào)節(jié)所述λ/4波片輸出光的偏振方向。當(dāng)所述λ/4波片輸出光的偏振方向與所述第二λ/2波片快軸的夾角為45°時(shí)，所述λ/4波片輸出的水平偏振光和垂直偏振光均旋轉(zhuǎn)45°；此時(shí)原水平偏振光和原垂直偏振光均可在水平偏振方向和垂直偏振方向存在投影，且水平偏振方向和垂直偏振方向上均由兩束具有相同相位差的光場(chǎng)組成；

10、所述偏振分束器，其用于分別實(shí)現(xiàn)所述第二λ/2波片中水平偏振方向和垂直偏振方向上兩束具有相對(duì)相位差的光信號(hào)的合束，合束后偏振分束器的兩臂分別出射水平偏振方向和垂直偏振方向的光信號(hào)；

11、偏振分束器出射的光信號(hào)分別進(jìn)入第一光子計(jì)數(shù)器和第二光子計(jì)數(shù)器，并由第一脈沖計(jì)數(shù)器和第二脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；

12、所述第一光子計(jì)數(shù)器，其用于將微弱光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為單個(gè)電脈沖信號(hào)；

13、所述第一脈沖計(jì)數(shù)器，其用于電壓脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，觀察光子的分布情況。

14、所述第二光子計(jì)數(shù)器，其用于將微弱光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為單個(gè)電脈沖信號(hào)；

15、所述第二脈沖計(jì)數(shù)器，其用于電壓脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，觀察光子的分布情況。

16、由所述相干光源、所述起偏器、所述第一λ/2波片制備由垂直偏振態(tài)|h>和水平偏振態(tài)|v>構(gòu)成的線性疊加態(tài)c1和c2與所述第一λ/2波片控制水平和垂直偏振光的比例；相對(duì)相位控制了兩種偏振光之間的相位關(guān)系。

17、所述第二λ/2波片、所述偏振分束器、所述光子計(jì)數(shù)器和所述脈沖計(jì)數(shù)器完成水平偏振態(tài)和垂直偏振態(tài)概率幅度測(cè)量。

18、基于以上裝置，本發(fā)明提出了一種驗(yàn)證量子疊加態(tài)原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示方法，其利用線偏振光子是水平偏振態(tài)和垂直偏振態(tài)的疊加態(tài)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)演示。相干光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)衰減片衰減后，獲得單光子水平的光源。經(jīng)過(guò)起偏器后，該單光子源處于水平線偏振態(tài)。在第一λ/2波片的作用下，使原本處于水平偏振的單光子源處于水平偏振態(tài)|v>和垂直偏振態(tài)|h>線性疊加態(tài)這里c1和c2與第一λ/2波片旋轉(zhuǎn)的角度有關(guān)，即進(jìn)入的水平線偏振光與第一λ/2波片快軸的夾角為θ時(shí)，線偏振光會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)2θ的角度，此時(shí)c1＝cos2θ，c2＝sin2θ，進(jìn)而控制水平偏振光和垂直偏振光的比例。相對(duì)相位利用光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)λ/4波片旋轉(zhuǎn)，改變水平偏振光和垂直偏振光的相對(duì)相位，控制兩種偏振光之間的相位關(guān)系。調(diào)節(jié)第二λ/2波片，調(diào)節(jié)控制所述λ/4波片輸出光的偏振方向，當(dāng)偏振方向與波片快軸的夾角為45°時(shí)，此時(shí)原水平偏振光和原垂直偏振光均可在水平偏振方向和垂直偏振方向存在投影，且水平偏振方向和垂直偏振方向上均由兩束具有相位差的光信號(hào)組成。經(jīng)過(guò)偏振分束器后進(jìn)行量子態(tài)的概率密度測(cè)量。當(dāng)該相位穩(wěn)定時(shí)，此時(shí)量子態(tài)的概率密度滿(mǎn)足干涉條件。當(dāng)該相位不穩(wěn)定時(shí)，此時(shí)量子態(tài)的概率密度不滿(mǎn)足干涉條件。由此可以完成對(duì)量子疊加態(tài)原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示。

19、具體步驟包括如下：

20、步驟一：搭建并利用相干光源、起偏器、第一λ/2波片，獲得單光子水平的由水平偏振態(tài)|v>和垂直偏振態(tài)|h>疊加所成的線性疊加態(tài)ψ。

21、步驟二：在第一λ/2波片后方放置偏振分束器，轉(zhuǎn)動(dòng)第一λ/2波片，改變?nèi)肷渚€偏振光的振動(dòng)方向及其與快軸夾角，記錄下在不同夾角下偏振分束器的分束比，從而獲得水平偏振態(tài)|v>和垂直偏振態(tài)|h>出現(xiàn)的概率，隨后在相干光源后插入衰減片，并在偏振分束器后放置第一光子計(jì)數(shù)器、第一脈沖計(jì)數(shù)器、第二光子計(jì)數(shù)器和第二脈沖計(jì)數(shù)器，測(cè)量此前標(biāo)定的第一λ/2波片不同夾角下的光子數(shù)；記錄完成后調(diào)整第一λ/2波片使得偏振分束器的分束比為50：50，并移除衰減片、第一光子計(jì)數(shù)器、第一脈沖計(jì)數(shù)器、第二光子計(jì)數(shù)器和第二脈沖計(jì)數(shù)器；

22、步驟三：在第一λ/2波片與偏振分束器之間插入λ/4波片與第二λ/2波片完成光路搭建。

23、步驟四：調(diào)節(jié)第二λ/2波片，當(dāng)偏振方向與第二λ/2波片快軸的夾角為45°時(shí)，此時(shí)原水平偏振光和原垂直偏振光均在水平偏振方向和垂直偏振方向存在投影，且在水平偏振方向和垂直偏振方向上產(chǎn)生兩束具有相位差的光信號(hào)。

24、步驟五：利用光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制λ/4波片沿著其光軸方向旋轉(zhuǎn)，改變水平偏振光和垂直偏振光的相對(duì)相位逐點(diǎn)記錄偏振分束器后檢測(cè)到的光強(qiáng)與此時(shí)光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角θ，用于標(biāo)定λ/4波片的轉(zhuǎn)角θ與改變相位的關(guān)系。在光強(qiáng)最大處旋轉(zhuǎn)角θ對(duì)應(yīng)的相位為0，在光強(qiáng)一半處旋轉(zhuǎn)角θ對(duì)應(yīng)的相位為π/2，光強(qiáng)最弱處對(duì)應(yīng)的相位為π。

25、步驟六：在相干光源后插入衰減片，并在偏振分束器后放置第一光子計(jì)數(shù)器、第一脈沖計(jì)數(shù)器、第二光子計(jì)數(shù)器和第二脈沖計(jì)數(shù)器，使用遮光板，在第一λ/2波片前遮擋光路，多次記錄下1s內(nèi)光子計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù)并計(jì)算平均值。由于環(huán)境噪聲和電子學(xué)噪聲等，光子計(jì)數(shù)器在沒(méi)有實(shí)際光信號(hào)輸入的情況下，仍然能記錄到脈沖信號(hào)，稱(chēng)其為暗計(jì)數(shù)，該步驟用于測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的暗計(jì)數(shù)值，后續(xù)采集的數(shù)據(jù)均要減去在對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù)。

26、步驟七：使第一λ/2波片固定在某一角度，光信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振分束器后，分別被第一光子計(jì)數(shù)器和第二光子計(jì)數(shù)器接收，測(cè)量光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)在不同轉(zhuǎn)角下的1s內(nèi)第一脈沖計(jì)數(shù)器和第二脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。隨后改變第一λ/2波片的角度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

27、步驟八：當(dāng)光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)第二λ/2波片并逐點(diǎn)記錄此時(shí)第一脈沖計(jì)數(shù)器和第二脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

28、步驟一至步驟二用于制備一疊加態(tài)ψ＝c1|v>+c2|h>并對(duì)其測(cè)量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證疊加態(tài)滿(mǎn)足的特性。

29、步驟三至步驟七用于對(duì)疊加態(tài)施加不同相位，即并在第一光子計(jì)數(shù)器和第二光子計(jì)數(shù)器后測(cè)量疊加態(tài)的概率分布

30、步驟八用于制備一混態(tài)破壞疊加態(tài)，即使中的相位變成一高頻隨機(jī)相位，此時(shí)測(cè)量結(jié)果會(huì)失去疊加態(tài)的概率密度分布特性。

31、本發(fā)明還提供了上述演示裝置，或上述演示方法在量子疊加原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)演示等中的應(yīng)用。

32、本發(fā)明的有益效果包括：本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)一種驗(yàn)證量子疊加態(tài)原理的本科教學(xué)演示裝置，利用起偏器、λ/2波片、λ/4波片等元件，生成水平偏振態(tài)和垂直偏振態(tài)的線性疊加態(tài)，并通過(guò)精確調(diào)節(jié)相對(duì)相位直觀展示量子疊加態(tài)的干涉特性。該裝置操作簡(jiǎn)便，不依賴(lài)復(fù)雜設(shè)備或嚴(yán)苛實(shí)驗(yàn)條件，適合教學(xué)環(huán)境。通過(guò)調(diào)節(jié)偏振態(tài)比例和相位關(guān)系，能夠觀察到量子干涉圖樣的形成與消失，深入理解量子力學(xué)中的疊加態(tài)和干涉現(xiàn)象。一方面可以加深學(xué)生對(duì)量子力學(xué)中疊加態(tài)的物理基本概念的認(rèn)識(shí)，另一方可以幫助學(xué)生了解前沿科學(xué)技術(shù)，幫助培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

33、通過(guò)使用直觀的光學(xué)元件和設(shè)備，如起偏器、λ/2波片、λ/4波片等，學(xué)生可以直接參與到實(shí)驗(yàn)操作中，調(diào)整各種參數(shù)并觀察結(jié)果，從而增加學(xué)習(xí)的趣味性和互動(dòng)性。這種直接參與不僅培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，也提高了他們理論聯(lián)系實(shí)際的能力，使學(xué)生能夠?qū)⒊橄蟮牧孔恿W(xué)理論與具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生探索不同的偏振態(tài)組合和相位關(guān)系，激發(fā)他們的好奇心和探索欲，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能力。該裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，操作方便，不需要復(fù)雜的設(shè)備或嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件，使得量子物理的學(xué)習(xí)更加平易近人，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)門(mén)檻。同時(shí)，此裝置不僅適用于教學(xué)，也可以作為初步的科研工具，幫助學(xué)生在本科階段就開(kāi)始接觸科研活動(dòng)，為未來(lái)的科研工作打下基礎(chǔ)。由于使用的是低功率的光源和簡(jiǎn)單的光學(xué)元件，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全無(wú)害，適合在教室環(huán)境中使用。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，同時(shí)也方便在未來(lái)根據(jù)教學(xué)需要添加新的功能或改進(jìn)現(xiàn)有部分。綜上所述，本發(fā)明的演示裝置不僅有助于學(xué)生理解和掌握量子疊加態(tài)的原理，還具有多方面的教育意義和實(shí)用價(jià)值。