量子计算和量子精密测量的教学设备
阅读：63发布：2020-05-08
专利汇可以提供量子计算和量子精密测量的教学设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种 量子计算 和量子精密测量的教学设备。量子计算和量子精密测量教学设备包括激光脉冲发生模 块 、光路模块、量子 传感器 和 信号 采集模块。激光脉冲发生模块用于发出激光脉冲。光路模块沿激光脉冲的光路设置。光路模块包括用导杆连接的镜架。镜架上沿光路依次设置第一 准直 聚焦元件、量子传感器、第二准直聚焦元件、滤光元件以及光电探测器。量子传感器用于在 磁场 的作用下受到激光脉冲的激发产生 荧光 。信号采集模块与光电探测器连接，用于采集荧光对应的 电信号 。本实用新型让学生通过动手操作，完成量子 算法 和量子精密测磁的演示实验，从而掌握量子计算的基本原理。学生可以对原始实验数据进行处理，加深对量子计算和量子精密测量的理解。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是量子计算和量子精密测量的教学设备专利的具体信息内容。
1.一种量子精密测量的教学设备，其特征在于，包括：
激光脉冲发生模块(100)，用于发出激光脉冲；
光路模块(200)，沿所述激光脉冲的光路设置，所述光路模块(200)包括用导杆(210)连接的镜架(220)，所述镜架(220)上沿所述光路依次设置第一准直聚焦元件(230)、量子传感器(240)、第二准直聚焦元件(250)、滤光元件(260)以及光电探测器(270)，所述量子传感器(240)用于在磁场的作用下受到所述激光脉冲的激发产生荧光；以及
信号采集模块(300)，与所述光电探测器(270)连接，用于采集所述荧光对应的电信号。
2.根据权利要求1所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，所述量子传感器(240)为含有NV色心的金刚石，所述激光脉冲发生模块(100)发出波长为532nm的激光。
3.根据权利要求2所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，还包括总控系统(400)，与所述信号采集模块(300)通信连接，用于接收所述信号采集模块(300)采集的电信号，并进行信号处理和显示。
4.根据权利要求3所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，还包括控制脉冲发生模块(500)，与所述激光脉冲发生模块(100)和所述总控系统(400)连接，所述总控系统(400)控制所述控制脉冲发生模块(500)发出特定的控制脉冲信号，所述控制脉冲信号用于控制所述激光脉冲发生模块(100)的激光脉冲。
5.根据权利要求4所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，所述控制脉冲模块(500)发出的特定的控制脉冲信号为TTL信号，所述激光脉冲发生模块(100)包括接受TTL信号触发的脉冲激光器。
6.根据权利要求4所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，还包括第一微波发生器(610)，分别与所述总控系统(400)和所述量子传感器(240)连接，所述总控系统(400)控制所述第一微波发生器(610)发出第一微波，所述第一微波传输到所述量子传感器(240)。
7.根据权利要求6所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，还包括第一微波开关(620)，连接于所述第一微波发生器(610)和所述量子传感器(240)之间，且与所述控制脉冲发生模块(500)连接，用于根据所述控制脉冲发生模块(500)的脉冲信号控制所述第一微波的通断。
8.根据权利要求7所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，还包括微波功率放大器(630)，连接于所述第一微波开关(620)与所述量子传感器(240)之间，用于对接收到的所述第一微波进行功率放大后传输到所述量子传感器(240)。
9.根据权利要求8所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，所述光路模块(200)还包括设置于所述镜架(220)的微波辐射模块(280)，与所述微波功率放大器(630)连接，所述量子传感器(240)设置于所述微波辐射模块(280)，所述微波辐射模块(280)用于将接收到的所述第一微波辐射到所述量子传感器(240)中。
10.根据权利要求9所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，所述微波辐射模块(280)为双开口谐振环，所述量子传感器(240)设置于所述双开口谐振环的中心。
11.根据权利要求1所述的量子精密测量的教学设备，其特征在于，还包括电源模块(700)，与所述激光脉冲发生模块(100)、信号采集模块(300)连接，用于提供电源。
12.一种量子计算的教学设备，其特征在于，包括权利要求6所述的量子精密测量教学设备(10)以及第二微波发生器(21)，所述第二微波发生器(21)与所述总控系统(400)和所述量子传感器(240)连接，所述总控系统(400)控制所述第二微波发生器(21)发出第二微波。
13.根据权利要求12所述的量子计算的教学设备，其特征在于，还包括第二微波开关(22)，连接于所述第二微波发生器(21)和所述量子传感器(240)之间，且与所述控制脉冲发生模块(500)连接，用于根据所述控制脉冲发生模块(500)的脉冲信号控制所述第二微波的通断。
14.根据权利要求13所述的量子计算的教学设备，其特征在于，还包括微波功率放大器(630)，连接于所述第二微波发生器(21)与所述量子传感器(240)之间，用于对接收到的所述第二微波进行功率放大后传输到所述量子传感器(240)。
15.根据权利要求14所述的量子计算的教学设备，其特征在于，所述光路模块(200)还包括设置于所述镜架(220)的微波辐射模块(280)，与所述微波功率放大器(630)连接，所述量子传感器(240)设置于所述微波辐射模块(280)，所述微波辐射模块(280)用于将接收到的所述第一微波和所述第二微波辐射到所述量子传感器(240)中。
量子计算和量子精密测量的教学设备
技术领域
[0001] 本实用新型涉及教学仪器技术领域，特别是涉及一种量子计算和量子精密测量的教学设备。
背景技术
[0002] 量子计算机是一类遵循量子力学规律，进行逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算对于提升运算能力，解决目前经典计算机无法解决的复杂问题，有着巨大潜力。量子精密测量技术是指利用量子系统，量子性质或者量子现象对物理量进行测量的技术。近年来，作为量子科学技术的一个分支，量子计算和精密测量技术飞速发展。常用的量子计算及精密测量技术平台包括自旋比特，离子阱，超导比特等等。量子计算具有超快并行的特征，在密码破解、路径规划、人工智能算法等领域有着重大应用。量子精密测量具有灵敏度高、分辨率高、可溯源等一系列优点，除了对基本物理参数进行测量外，量子精密测量技术在材料、能源、军工、医疗等领域均有着重大应用。
[0003] 因量子计算和量子精密测量具备的技术优点和广泛的应用前景，科研机构使用的量子计算和量子精密测量装置，体积庞大，功能复杂，造价高昂，无法作为学校教学工具使用。而为了方便教学，现急需一套结构紧凑、操作简易的量子计算和量子精密测量的教学系统，使在校学生能够熟悉量子计算和量子精密测量的基本原理。实用新型内容
[0004] 基于此，为了方便实现对学生进行量子计算和量子精密测量的教学，本实用新型提供一种量子计算和量子精密测量的教学设备。
[0005] 本量子计算和量子精密测量的教学设备，包括：
[0006] 激光脉冲发生模块，用于发出激光脉冲；
[0007] 光路模块，沿所述激光脉冲的光路设置，所述光路模块包括用导杆连接的镜架，所述镜架上沿所述光路依次设置第一准直聚焦元件、量子传感器、第二准直聚焦元件、滤光元件以及光电探测器，所述量子传感器用于在磁场的作用下受到所述激光脉冲的激发产生荧光；以及
[0010] 在其中一个实施例中，所述量子精密测量的教学设备还包括总控系统，与所述信号采集模块通信连接，用于接收所述信号采集模块采集的电信号，并进行信号处理和显示。
[0011] 在其中一个实施例中，所述量子精密测量的教学设备还包括控制脉冲发生模块，与所述激光脉冲发生模块和所述总控系统连接，所述总控系统控制所述控制脉冲发生模块发出特定的控制脉冲信号，所述控制脉冲信号用于控制所述激光脉冲发生模块的激光脉冲。
[0012] 在其中一个实施例中，所述控制脉冲模块发出的特定的控制脉冲信号为TTL信号，所述激光脉冲发生模块包括接受TTL信号触发的脉冲激光器。
[0013] 在其中一个实施例中，所述量子精密测量的教学设备还包括第一微波发生器，与所述总控系统和所述量子传感器连接，所述总控系统控制所述第一微波发生器发出第一微波，所述第一微波传输到所述量子传感器。
[0014] 在其中一个实施例中，所述量子精密测量的教学设备还包括第一微波开关，连接于所述第一微波发生器和所述量子传感器之间，且与所述控制脉冲发生模块连接，用于根据所述控制脉冲发生模块的脉冲信号控制所述第一微波的通断。
[0015] 在其中一个实施例中，所述量子精密测量的教学设备还包括微波功率放大器，连接于所述第一微波开关与所述量子传感器之间，用于对接收到的所述第一微波进行功率放大后传输到所述量子传感器。
[0016] 在其中一个实施例中，所述光路模块还包括设置于所述镜架的微波辐射模块，与所述微波功率放大器连接，所述量子传感器设置于所述微波辐射模块，所述微波辐射模块用于将接收到的所述第一微波辐射到所述量子传感器中。
[0017] 在其中一个实施例中，所述微波辐射模块为双开口谐振环，所述量子传感器设置于所述双开口谐振环的中心。
[0018] 在其中一个实施例中，所述量子精密测量教学设备还包括电源模块，与所述激光脉冲发生模块、信号采集模块连接，用于提供电源。
[0019] 一种量子计算教学设备，包括上述实施例所述的量子精密测量教学设备以及第二微波发生器，所述第二微波发生器与所述总控系统和所述量子传感器连接，所述总控系统控制所述第二微波发生器发出第二微波。
[0020] 在其中一个实施例中，所述量子计算教学设备还包括第二微波开关，连接于所述第二微波发生器和所述量子传感器之间，且与所述控制脉冲发生模块连接，用于根据所述控制脉冲发生模块的脉冲信号控制所述第二微波的通断。
[0021] 在其中一个实施例中，所述量子计算教学设备，还包括微波功率放大器，连接于所述第二微波发生器与所述量子传感器之间，用于对接收到的所述第二微波进行功率放大后传输到所述量子传感器。
[0022] 在其中一个实施例中，所述光路模块还包括设置于所述镜架的微波辐射模块，与所述微波功率放大器连接，所述量子传感器设置于所述微波辐射模块，所述微波辐射模块用于将接收到的所述第一微波和所述第二微波辐射到所述量子传感器中。
[0023] 上述量子计算和量子精密测量的教学设备，通过采用导杆连接的镜架，形成笼式系统，再在所述镜架上安装各光学元件，使得光路结构更加稳定，无需使用隔震平台，同时可操作性更强，便于教学中对各元件的讲解，必要时甚至可以拆卸下来进行单独观察、讲解。同时仅使用所述第一准直聚焦元件、所述量子传感器、所述第二准直聚焦元件、所述滤光元件和所述光电探测器组成所述光路模块，结果简单，实现了将传统的用于科学研究的具有复杂结构和庞大体积的量子计算和量子精密测量系统小型化的目的，且结构紧凑，易于操作，更方便用于教学。附图说明
[0024] 图1为本申请一实施例提供的量子精密测量的教学系统的光路模块的结构示意图；
[0025] 图2为本申请一实施例提供的量子精密测量的教学设备的结构示意图；
[0026] 图3为本申请一实施例提供的微波辐射模块的结构示意图；
[0027] 图4为本申请一实施例提供的金刚石NV色心的四种晶向的晶体结构示意图；
[0028] 图5为本申请一实施例提供的量子计算教学设备的结构示意图；
[0029] 图6为本申请一实施例提供的量子计算过程中的脉冲序列；
[0030] 图7为本申请一实施例提供的量子计算的实验结果。
[0031] 附图标号说明：
[0032] 10 量子精密测量教学设备
[0033] 100 激光脉冲发生模块
[0034] 200 光路模块
[0035] 210 导杆
[0036] 220 镜架
[0037] 230 第一准直聚焦元件
[0038] 240 量子传感器
[0039] 250 第二准直聚焦元件
[0040] 260 滤光元件
[0041] 270 光电探测器
[0042] 280 微波辐射模块
[0043] 300 信号采集模块
[0044] 400 总控系统
[0045] 500 控制脉冲发生模块
[0046] 610 第一微波发生器
[0047] 620 第一微波开关
[0048] 630 微波功率放大器
[0049] 700 电源模块
[0050] 20 量子精密计算教学设备
[0051] 21 第二微波发生器
[0052] 22 第二微波开关
具体实施方式
[0053] 为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
[0054] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
[0055] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0056] 请一并参见图1和图2。本申请一实施例提供一种量子精密测量教学设备10，所述量子精密测量教学设备10包括激光脉冲发生模块100、光路模块200、量子传感器240和信号采集模块300。所述激光脉冲发生模块100用于发出激光脉冲。所述光路模块200沿所述激光脉冲的光路设置。所述光路模块200包括用导杆210连接的镜架220。所述镜架220上沿所述光路依次设置第一准直聚焦元件230、量子传感器240、第二准直聚焦元件250、滤光元件260以及光电探测器270。所述量子传感器240用于在磁场的作用下受到所述激光脉冲的激发产生荧光。所述信号采集模块300与所述光电探测器270连接，用于采集所述荧光对应的电信号。
[0057] 可以理解，所述激光脉冲指按脉冲方式发射的激光。在一个实施例中，所述激光脉冲发生模块100包括激光头和激光头控制板卡。激光头控制板卡可以给激光头供电，使激光头发出波长为532nm的激光。激光输出功率可通过激光头控制板卡的输出电流大小调节。所述激光输出为激光脉冲的方式不限。在一个实施例中，所述第一准直聚焦元件230可以为准直聚焦透镜。在一个实施例中，所述第一准直聚焦元件230可以包括准直透镜和聚焦透镜组成的透镜组，激光先进行准直再聚焦。在一个实施例中，所述量子传感器240的类型不限。在一个实施例中，所述第二准直聚焦元件250与所述第一准直聚焦元件230结构相同。
[0058] 可以理解，所述导杆210连接的镜架220形成光学笼式系统，所述镜架220作为承载平台用以安装所述第一准直聚焦元件230、所述量子传感器240、所述第二准直聚焦元件250、所述滤光元件260以及光电探测器270。所述激光脉冲从所述激光脉冲发生模块100发出后，先经过所述第一准直聚焦元件230到所述量子传感器240，对所述量子传感器240进行激发，以产生对应荧光。所述荧光经过所述第二准直聚焦元件250调整光束进行准直聚焦，再通过所述滤光元件260对所述荧光中混入的激光进行过滤，剩下纯净的荧光进入所述光电探测器270进行光电信号转换。可以理解，所述光电探测器270可以将所述荧光信号转换为对应的电信号，以方便进行分析。在一个实施例中，所述信号采集模块300可以包括示波器，可以将所述荧光的ODMR图谱表现出来，以读取相关数据。在一个实施例中，所述信号采集模块300可以包括数据采集卡，以进行数据收集。在一个实施例中，所述量子精密测量教学设备10包括用于产生磁场的磁场发生器(图未示)，且所述量子传感器240设置于该磁场范围内。
[0059] 在本实施例中，所述量子精密测量教学设备10通过使用导杆210连接的镜架220，形成笼式系统，再在所述镜架220上安装各光学元件，使得光路结构更加稳定，无需使用隔震平台，同时可操作性更强，便于教学中对各元件的讲解，必要时甚至可以拆卸下来进行单独观察、讲解。
[0060] 在一个实施例中，所述量子精密测量教学设备10包括外壳，以容纳所述激光脉冲发生模块100、所述光路模块200和所述信号采集模块300，所述外壳具有可以打开的盖子，学生可以打开盖子对所述量子精密测量教学设备10的内部结构进行观察，甚至进一步的物理操作。在一个实施例中，所述磁场发生器设置于所述外壳内。所述外壳可以为磁屏蔽材质(例如坡莫合金或铁铝合金)，以防止所述量子传感器240受到外界磁场的干扰。
[0061] 在一个实施例中，所述量子传感器240为含有NV色心的金刚石。所述激光脉冲发生模块100发出波长为532nm的激光。在一个实施例中，所述金刚石量子传感器240大小可以为3mm×3mm×0.5mm。在一个实施例中，所述金刚石量子传感器240内NV色心的浓度可以为
1ppb至10ppm之间。
1ppb至10ppm之间。
[0062] 可以理解，所述NV色心在磁场的作用下会产生能级分裂，且所述NV色心的能级劈裂值与所述磁场的场强成正比。NV色心的基态有0，±1三个能级，实验开始的时候，可用激光将NV色心的状态制备到0态。当用波长为532nm的绿色激光照射金刚石量子传感器240的时候，内部NV色心电子自旋将由基态被激发到激发态，发出波长为600nm-800nm的荧光。由于NV色心特有的激发态能级结构，在电子自旋回到基态时会发出一定强度的荧光。如果基态自旋是ms＝0,则发出的荧光比较强；如果基态自旋是ms＝±1，那么发出的荧光比较弱。通过所述信号采集模块300对所述荧光对应的电信号进行分析处理，可以得到磁场大小。
[0063] 在本实施例中，通过利用NV色心对磁场的反应关系，用激光激发所述NV色心产生荧光，通过对所述荧光进行分析，就可以得到磁场的相关参数。
[0064] 在一个实施例中，所述的量子精密测量教学设备10还包括总控系统400，与所述信号采集模块300通信连接，用于接收所述信号采集模块300采集的电信号，并进行信号处理和显示。在一个实施例中，所述总控系统400与所述信号采集模块300可以通过USB接口通信连接。在一个实施例中，所述总控系统400包括处理器和显示器，可以通过处理器对所述信号采集模块300采集到的数据进行计算，并将计算结果通过显示器显示出来。在一个实施例中，所述总控系统400可以为电脑。在一个实施例中，所述总控系统400内安装有教学控制软件，用于数据处理和结果显示。所述教学控制软件可以由LabVIEW程序编写。
[0065] 在本实施例中，所述总控系统400可以便于结果计算和显示，从而大大方便教学。
[0066] 在一个实施例中，所述量子精密测量教学设备10还包括控制脉冲发生模块500。所述脉冲发生模块与所述激光脉冲发生模块100和所述总控系统400连接。所述总控系统400控制所述控制脉冲发生模块500发出特定的控制脉冲信号。所述控制脉冲信号控制所述激光脉冲发生模块100的激光脉冲。在一个实施例中，所述控制脉冲发生模块500可以产生任意的方波序列。在一个实施例中，所述控制脉冲发生模块500的脉冲时间控制精度为50ps。在一个实施例中，所述控制脉冲发生模块500的输出端口为SMA接头。在一个实施例中，所述控制脉冲发生模块500的输出端口与所述激光脉冲发生模块100中的激光头控制板卡的触发输入端连接，控制激光头控制板卡的电流通断，从而利用所述控制脉冲发生模块500发出的脉冲TTL信号，将连续输出的激光，调制成脉冲输出的激光。在一个实施例中，用户可以通过所述总控系统400根据教学需求对所述特定的控制脉冲信号进行调整，从而达到对不同控制脉冲信号实验结果多方面比较的教学的目的。
[0067] 在本实施例中，所述总控系统400通过控制所述控制脉冲发生模块500发出预设的脉冲序列，可以将所述激光脉冲发生模块100输出对应的激光脉冲，结构简单，方便控制。
[0068] 在一个实施例中，所述控制脉冲发生模块500发出的特定的控制脉冲信号为TTL信号。所述激光脉冲发生模块100包括接受TTL信号触发的脉冲激光器。
[0069] 在本实施例中，所述控制脉冲发生模块500通过发出TTL信号将所述激光脉冲发生模块100的连续激光调制成脉冲激光，方便数据传输。所述接受TTL信号触发的脉冲激光器在接收到TTL信号后，可以输出对应的脉冲激光。相对于传统的连续波激光器加声光调制器的方法，通过使用TTL信号触发的脉冲激光器减小了光路体积，而且激光的开关比更高，使得工作过程中激光关闭时漏光概率减小，使得结果更加精确。同时，所述TTL信号直接触发所述脉冲激光器，避免了触发声光调制晶体的响应时间的问题，使得上升沿时间更短。
[0070] 在一个实施例中，所述量子精密测量教学设备10还包括第一微波发生器610。所述第一微波发生器610分别与所述总控系统400和所述量子传感器240连接。所述总控系统400控制所述第一微波发生器610发出第一微波。所述第一微波传输到所述量子传感器240。
[0071] 在一个实施例中，所述控制脉冲发生模块500可以输出多通道脉冲序列，同时控制所述激光脉冲发生模块100和所述第一微波开关620。在一个实施例中，所述总控系统400可以控制所述第一微波发生器610发出特定频率和功率的微波，作为所述第一微波。
[0072] 可以理解，所述第一微波可以调控NV色心状态的演化。NV色心的状态指的是NV色心的量子态。NV色心的基态有0，±1三个能级。实验开始的时候，用激光将NV色心的状态制备到0态，然后停止激光发射。演化指的是，NV色心从一个状态到另一个状态的变化。微波可以调控NV色心状态的演化。NV色心的状态可以看成是量子比特，对状态进行调控，就是进行量子操作。在量子精密测量的实验中，用NV色心测量外磁场的大小。磁场大小不同，能级劈裂不同。当微波频率与能级劈裂共振时，才能使得NV色心的状态发生演化。NV色心的状态演化之后，再次发射激光，所述光电探测器270测到的光强就会有变化，通过对所述光强变化进行分析，可以得到磁场相关参数。
[0073] 在本实施例中，通过所述第一微波发生器610为所述量子传感器240提供所述第一微波，从而引起NV色心的能级共振。NV色心的基态能级为三重态，并且存在2.87GHz的零场劈裂，即当外界微波频率为2.87GHz时，NV色心电子基态能级将发生共振。通过扫描微波频率，可以得到NV色心的电子磁共振谱线。谱线中荧光最低点即为外界微波频率点，也就是共振点。在测出共振频率后，根据共振频率的差值可以确定外磁场的大小。
[0074] 在一个实施例中，所述量子精密测量教学设备10还包括第一微波开关620。所述第一微波开关620连接于所述第一微波发生器610和所述量子传感器240之间，且与所述控制脉冲发生模块500连接，用于根据所述控制脉冲发生模块500的脉冲信号控制所述第一微波的通断。在一个实施例中，所述第一微波发生器610和所述第一微波开关620之间由同轴线缆连接。在一个实施例中，所述控制脉冲发生模块500产生TTL信号，接到所述第一微波开关620的触发输入端，控制所述第一微波的通断。
[0075] 在本实施例中，所述控制脉冲发生模块500可以通过对所述第一微波开关620的控制，根据教学需要形成特定序列的所述第一微波，再传输至所述量子传感器240，提高可控性，达到多样化的教学目的。
[0076] 在一个实施例中，所述量子精密测量教学设备10还包括微波功率放大器630。所述微波功率放大器630连接于所述第一微波开关620与所述量子传感器240之间，用于对接收到的所述第一微波进行功率放大后传输到所述量子传感器240。在一个实施例中，所述微波功率放大器630的增益可以为45dB。在一个实施例中，所述微波功率放大器630由同轴线缆输出所述第一微波。
[0077] 在本实施例中，通过所述微波功率放大器630对所述第一微波的功率进行放大，以达到调控所述量子传感器240所需要的微波功率。
[0078] 在一个实施例中，所述量子精密测量教学设备10还包括电源模块700。所述电源模块700与所述激光脉冲发生模块100、信号采集模块300连接，用于提供电源。在一个实施例中，所述电源模块700还与所述控制脉冲发生模块500连接。在一个实施例中，所述电源模块700还与所述总控系统400连接。在一个实施例中，所述电源模块700可以与所述量子精密测量教学设备10内的各用电器件连接，以提供电能。
[0079] 请一并参见图3。在一个实施例中，所述光路模块200还包括设置于所述镜架220的微波辐射模块280。所述微波辐射模块280与所述微波功率放大器630连接。所述量子传感器240设置于所述微波辐射模块280。所述微波辐射模块280用于将接收到的所述第一微波辐射到所述量子传感器240中。
[0080] 在本实施例中，通过所述微波辐射模块280可以形成所述第一微波的辐射场，覆盖所述量子传感器240，从而通过所述第一微波改变所述量子传感器240的量子态，使荧光产生不同的光强。
[0081] 在一个实施例中，所述微波辐射模块280可以为双开口谐振环。所述量子传感器240设置于所述双开口谐振环的中心。在一个实施例中，所述第一微波由SMA接头输入，输送到双开口谐振环上，然后通过谐振环辐射到金刚石NV色心上。在一个实施例中，金刚石可以通过透明光学胶粘在双开口谐振环的基底上，即PCB板上。
[0082] 在本实施例中，所述双开口谐振环可以在毫米量级的范围内，提供均匀的微波耦合，而且效率很高，磁场分量可达5G-6G。
[0083] 在一个实施例中，所述量子精密测量教学设备10的教学目标包括：
[0084] (1)测量共振频率。通过所述总控系统400控制所述第一微波发生器610产生第一微波，再控制所述第一微波开关620依据预设的脉冲序列调制所述第一微波，产生第一序列微波，实现扫描微波频率，使所述金刚石NV色心的自旋态改变，从而影响荧光光强。通过所述光电探测器270探测光强的变化，由所述信号采集模块300得到光探测磁共振图谱。磁共振图谱的横轴是微波频率，纵轴是荧光强度。当NV色心中电子与第一序列微波发生共振的时候，荧光强度会降低，所以磁共振图谱上，纵轴的最低点对应的频率，就是共振频率。
[0085] (2)计算外磁场大小。根据所述磁共振图谱上NV色心电子自旋态变化前后的共振频率，得到它们之间的差值，再计算磁场大小。
[0086] (3)重构矢量磁场。需要了解的是，NV色心具有四个不同取向，如图4所示(黑色点为碳原子)。外磁场在不同的轴向上的投影值也不相同。根据每个方向上的磁共振谱，可以得到一个劈裂值，进一步可以计算出外磁场在该方向上的投影值大小。根据四个投影值大小，可以重构出矢量磁场的大小和方向。
[0087] 请一并参见图5。本申请一实施例还提供一种量子计算的教学设备20。所述量子计算的教学设备20包括上述实施例所述的量子精密测量教学设备10以及第二微波发生器21。所述第二微波发生器21与所述总控系统400和所述量子传感器240连接。所述总控系统400控制所述第二微波发生器21发出第二微波。
[0088] 可以理解，所述量子计算教学设备20用于演示一个量子算法的实验过程，来阐述量子计算的核心概念。在一个实施例中，以Deutsch-Jozsa算法为例。假设一个函数f{0,1}^n→{0,1}，如果对所有输入的x，f(x)都是0或者都是1，则称f(x)是常函数。如果对于一半的函数输入x，f(x)＝0，对于另一半的函数输入x，f(x)＝1，则称f(x)是平衡函数。Deutsch-Jozsa算法的问题是：判定f(x)是常函数还是平衡函数。
[0089] 函数f是一个黑盒子，通过观测结果就能判断函数f是常函数或平衡函数。可以将简化Deutsch-Jozsa算法中的量子比特和辅助比特均编码在S＝1的电子自旋上。首先通过所述激光脉冲发生模块100发出的激光将NV色心初始化到|0>后，采用Hadamard门(量子门){f(z)}将其变换到量子算法的输入态 f控制门定义为Vf|z＞＝(-1) |z＞，
其中Z＝0,1；f(z)表示四个不同函数，f1(z)＝0和f2(z)＝1为常函数，f3(z)＝z和f4(z)＝1-z为平衡函数。因此，对于两能级体系，
其中Z＝0,1；f(z)表示四个不同函数，f1(z)＝0和f2(z)＝1为常函数，f3(z)＝z和f4(z)＝1-z为平衡函数。因此，对于两能级体系，
[0090] 在教学过程中，可以将上述量子算法转换成图6所示的时间简化的Deutsch-Jozsa算法的脉冲序列。图6中最上方序列(laser)为提供给所述激光脉冲模块的激光脉冲序列，表示为在实验开始时初始化NV色心到|0>，在微波操控时激光关闭，最后再次打开实现末态读出。图6中QC0、QC1、QC2、QC3分别为f(z)表示的四个函数的算法转化而成的脉冲序列，图6中每个函数对应的两行序列中，MW1为所述第一微波的脉冲序列，MW2为所述第二微波的脉冲序列。请参见图7，在所述总控系统400中根据图6中脉冲序列激发后测得的实验结果(荧光强度随时间的变化图谱)显示，其中正方向回波表示黑盒子为常函数，即图7中(a)和(b)；负方向回波表示黑盒子为平衡函数，即图7中(c)和(d)。
[0091] 在本实施例中，所述量子计算教学设备20通过将量子算法转化为微波脉冲序列，通过所述总控系统400测得的荧光强度的变化趋势来进行量子算法的计算，易于操作，且结果直观。
[0092] 在一个实施例中，所述量子计算教学设备20还包括第二微波开关22。所述第二微波开关22连接于所述第二微波发生器21和所述量子传感器240之间，且与所述控制脉冲发生模块500连接，用于根据所述控制脉冲发生模块500的脉冲信号控制所述第二微波的通断。可以理解，所述第二微波开关22可以根据所述控制脉冲发生模块500的脉冲信号控制所述第二微波形成第二脉冲序列，以进行量子计算。在一个实施例中，所述第二微波发生器21和所述第二微波开关22之间由同轴线缆连接。在一个实施例中，所述控制脉冲发生模块500产生TTL信号，接到所述第二微波开关22的触发输入端，控制所述第二微波的通断。
[0093] 在本实施例中，所述控制脉冲发生模块500可以通过对所述第二微波开关22的控制，根据教学需要形成特定序列的所述第二微波，再传输至所述量子传感器240，与所述第一微波共同为量子计算进行演示，并且提高可控性，可以根据需要形成多种算法的微波脉冲序列。
[0094] 在一个实施例中，所述量子计算教学设备20还包括微波功率放大器630。所述微波功率放大器630连接于所述第二微波发生器21与所述量子传感器240之间，用于对接收到的所述第二微波进行功率放大后传输到所述量子传感器240。在一个实施例中，所述微波功率放大器630可以由同轴线缆输出所述第二微波。
[0095] 在本实施例中，通过所述微波功率放大器630对所述第二微波的功率进行放大，以达到调控所述量子传感器240所需要的微波功率。
[0096] 在一个实施例中，所述光路模块200还包括设置于所述镜架220的微波辐射模块280。所述微波辐射模块280与所述微波功率放大器630连接。所述量子传感器240设置于所述微波辐射模块280。所述微波辐射模块280用于将接收到的所述第一微波和所述第二微波辐射到所述量子传感器240中。
[0097] 在本实施例中，通过所述微波辐射模块280可以形成所述第一微波和所述第二微波的辐射场，覆盖所述量子传感器240，从而通过所述第一微波和所述第二微波共同改变所述量子传感器240的量子态，使荧光随时间产生不同的光强，通过对荧光光强的变化，实现量子计算的过程。
[0098] 上述量子计算和精密测量的教学设备，通过采用导杆210连接的镜架220，形成笼式系统，再在所述镜架220上安装各光学元件，使得光路结构更加稳定，无需使用隔震平台，同时可操作性更强，便于教学中对各元件的讲解，必要时甚至可以拆卸下来进行单独观察、讲解。同时仅使用所述第一准直聚焦元件230、所述量子传感器240、所述第二准直聚焦元件250、所述滤光元件260和所述光电探测器270组成所述光路模块200，结果简单，实现了将传统的科研结构的量子精密测量系统的庞大体积小型化的目的，且结构紧凑，易于操作，更方便用于教学。本实用新型让学生通过动手操作，完成量子算法和量子精密测磁的演示实验，从而掌握量子计算的基本原理。学生可以对原始实验数据进行处理，加深对量子计算和量子精密测量的理解。
[0099] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
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