一种单比特量子逻辑门教学实验箱、演示系统及演示方法与流程

本发明涉及单比特量子逻辑门教学领域，尤其涉及一种单比特量子逻辑门教学实验箱、演示系统及演示方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、构建量子逻辑门的方式有很多，如利用线性光学、核磁共振的能级、超导量子电路、离子阱中囚禁的离子能级等，但这些大多需要低温或精密控制，并且不够直观，运行成本较高，对基础设施要求严格，在普通的实验室环境下无法进行展示。

3、目前，单比特量子逻辑门系统多是在云平台上进行虚拟仿真实验。虚拟仿真实验是在理想的实验环节下通过鼠标操作完成的，无法提供给学生亲身实验的机会，这可能会导致学生对真实量子实验的认知欠缺，无法掌握量子实验中用到的各种元件的规范操作和使用方法。而除虚拟仿真实验外，单比特量子逻辑门系统多是在专业的光学平台上进行，存在着系统体积庞大、元器件繁多、实验环境要求高、集成度低等缺陷，且通常调试光路十分复杂，使学生在使用时会出现成功率低，调试时间长等问题，很难将其应用于教学演示中。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种单比特量子逻辑门教学实验箱、演示系统及演示方法，本发明设计的单比特量子逻辑门系统，操作简便、集成度高、实验现象清晰、易于让学生亲自动手操作。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种单比特量子逻辑门教学实验箱。

4、一种单比特量子逻辑门教学实验箱，包括上箱体和下箱体，所述上箱体的光学面板上安装有关联光子对制备子系统和单比特量子逻辑门制备测量子系统，所述下箱体的光学面板上安装有电子学控制子系统，所述单比特量子逻辑门制备测量子系统通过光纤连接电子学控制子系统；

5、所述关联光子对制备子系统包括半导体激光器，以及沿光路方向依次排列的第一滤光片、四分之一波片、第一二分之一波片、第一平凸透镜和偏硼酸钡晶体；

6、所述单比特量子逻辑门制备测量子系统包括沿光路方向依次排列的第二平凸透镜、第一平面反射镜、第二滤光片和第一偏振分光棱镜，以及透射路和反射路，所述透射路包括沿光路方向依次排列的第二平面反射镜、第二二分之一波片、第二偏振分光棱镜和第一光纤耦合器，所述反射路包括沿光路方向依次排列的第三二分之一波片、第三偏振分光棱镜、第三平面反射镜和第二光纤耦合器；

7、所述电子学控制子系统包括第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数控制装置，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均连接符合计数控制装置。

8、进一步地，所述四分之一波片和第一二分之一波片用于将半导体激光器发生的光源转换成竖直偏振光；

9、进一步地，所述偏硼酸钡晶体用于将入射的405纳米竖直偏振态光子转换成一对810纳米关联光子。

10、进一步地，所述第二平凸透镜固定在透镜架上，所述透镜架下装有滑轨，通过移动透镜架使光束变为平行光；

11、进一步地，所述第一偏振分光棱镜用于将关联光子对按照偏振态的不同分为两路光，包括透射路路光和反射路路光，所述透射路路光的偏振态为水平偏振，反射路路光的偏振态为竖直偏振；

12、进一步地，所述第一光纤耦合器通过第一光纤连接第一单光子探测器，第二光纤耦合器通过第二光纤连接第二单光子探测器。

13、进一步地，所述第一单光子探测器通过第一射频线连接符合计数控制装置，第二单光子探测器通过第二射频线连接符合计数控制装置；

14、进一步地，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均用于探测接收到的光子数，在第一单光子探测器和第二单光子探测器同时探测到一个光子时，即探测到一对关联光子时，符合计数控制装置会将关联光子对的数量记录下来。

15、进一步地，所述通过旋转第二二分之一波片和/或第三二分之一波片，形成不同的单子特量子逻辑门。

16、更进一步地，通过旋转第二二分之一波片和/或第三二分之一波片，形成不同的单子特量子逻辑门的过程包括：

17、旋转第二二分之一波片和/或第三二分之一波片至22.5°时，形成hadamard门；

18、更进一步地，通过旋转第二二分之一波片和/或第三二分之一波片，形成不同的单子特量子逻辑门的过程包括：

19、旋转第二二分之一波片和/或第三二分之一波片至45°时，形成pauli-x门；

20、更进一步地，通过旋转第二二分之一波片和/或第三二分之一波片，形成不同的单子特量子逻辑门的过程包括：

21、旋转第二二分之一波片和/或第三二分之一波片至90°时，形成pauli-z门。

22、进一步地，所述第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜均用于检测光子经过单子特量子逻辑门后的状态；

23、进一步地，若经过第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的为h光，符合计数控制装置统计的符合计数为初始符合计数值；若经过第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的为v光，符合计数控制装置统计的符合计数为零；若经过第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的为叠加态的光，则符合计数控制装置统计的符合计数为初始符合计数值的一半。

24、进一步地，所述实验箱上设有开关键、电源输入口和数据传输口，所述开关键用于控制半导体激光器、第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数控制装置的开/关。

25、本发明的第二个方面提供一种单比特量子逻辑门教学演示系统。

26、一种高集成度的单比特量子逻辑门教学演示系统，包括：第一个方面所述的单比特量子逻辑门教学实验箱和上位机，所述符合计数控制装置通过数据线与上位机连接。

27、本发明的第三个方面提供一种单比特量子逻辑门教学演示方法。

28、一种高集成度的单比特量子逻辑门教学演示方法，采用第二个方面所述的高集成度的单比特量子逻辑门教学演示系统，包括：

29、调整所有部件为初始状态，单比特量子逻辑门教学实验箱和上位机均接通电源；

30、拆下第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜，半导体激光器发送激光，记录符合计数控制装置的初始符合计数值；

31、安装第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜，半导体激光器发送激光，通过旋转第二二分之一波片和/或第三二分之一波片，形成不同的单子特量子逻辑门；

32、记录第一单光子探测器和第二单光子探测器收到的光子数以及符合计数。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

34、本发明提供了一种单比特量子逻辑门教学实验箱、演示系统及演示方法，实验内容仅涵盖单比特量子逻辑门，光路简单，更容易使接触量子相关知识较少的中学生理解量子计算机。

35、本发明在保证实验效果的情况下，将光路集成化。与其他有关光量子计算的模型机相比，本发明将光路与符合计数系统集成为上下双层结构，并将光学元器件固定，减少学生在使用时需要的光路调整，大大提高了实验效率，能使更多的学生参与进实验。本发明设计的系统体积小，对实验环境要求不高，普通的实验室即可满足要求。