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),基于量子精密測量的量子磁力計(jì)[19-21]、量子重力儀[22]、引力波測量[9-12]等量子測量技術(shù)的測量精度超越了經(jīng)典測量,成為精度最高的測量技術(shù). 總而言之,量子力學(xué)將在未來科技創(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)象無法直接觀測. 量子實(shí)驗(yàn)因涉及微觀現(xiàn)象及信號微弱,對實(shí)驗(yàn)設(shè)備和采集探測裝置要求較高,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)以量子測量技術(shù)為核心,探索研發(fā)5個(gè)實(shí)驗(yàn):量子真空場測量與零拍測量技術(shù),引力波測量原理——激光干涉儀微小位移測量極限,海森堡不確定關(guān)系,量子壓縮光場的產(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)——平衡零拍測量和激光干涉測量極限,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,為全國高校開設(shè)量子實(shí)驗(yàn)課程提供參考.

1 量子真空場測量

量子真空場是量子物理與經(jīng)典物理最大不同之一. 經(jīng)典物理認(rèn)為真空中沒有能量. 量子物理認(rèn)為真空中存在真空場,其平均振幅為零,振幅隨機(jī)起伏,起伏幅度為單光子水平,一般探測器無法探測,這也是經(jīng)典物理認(rèn)為真空中沒有能量的緣由. 在實(shí)際測量中,極其微弱的真空場是高精度測量系統(tǒng)噪聲的主要來源,也是限制測量精度提升的主要原因. 將量子真空場測量作為物理學(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),加深對量子物理的理解.

文獻(xiàn)[23]報(bào)導(dǎo)了利用平衡零拍探測技術(shù)測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 真空場測量實(shí)驗(yàn)原理圖

激光束a與真空場在分束器上被均分為光束A和光束B,分別被2個(gè)光電探測器探測,經(jīng)過減法器相減后的電信號進(jìn)入頻譜分析儀,給出相減后信號的方差.從量子力學(xué)原理出發(fā)進(jìn)行計(jì)算,頻譜分析儀測量的電信號方差為入射激光的光子數(shù)目N與真空場起伏的乘積:

Var (I)=N〈VV+〉,

(1)

其中,N為入射光子數(shù),V為真空場,也就是頻譜分析儀測量到的方差為放大了N倍的真空場.當(dāng)真空場振幅為0,則測量方差為0;當(dāng)真空場振幅不為0,則測量方差與激光光強(qiáng)成正比.調(diào)節(jié)激光光強(qiáng)到合適范圍,使用常規(guī)的光電探測器可以清晰觀察到真空場振幅起伏.

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)過衰減器A后,被分束器BS分束,1束直接透射進(jìn)入探測器,另1束反射進(jìn)入探測器D. 依托該實(shí)驗(yàn)裝置,可完成的教學(xué)內(nèi)容包括:

圖2 真空場測量實(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)測量量子真空場的理論公式;

b.根據(jù)公式自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并完成光路搭建,掌握零拍測量技術(shù),使用頻譜分析儀測量真空場的振幅起伏;

c.比較理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析真空場的特性.

最終,通過真空能量起伏與零拍測量技術(shù)實(shí)驗(yàn),學(xué)生將學(xué)會(huì)零拍測量的量子力學(xué)計(jì)算過程,搭建零拍測量光路和裝置,掌握頻譜分析儀的原理和使用方法,觀測真空的能量起伏,深入了解真空場的特性.

2 引力波測量原理演示實(shí)驗(yàn)

2.1 激光干涉儀測量極限實(shí)驗(yàn)

引力波測量是近幾年天文學(xué)和精密測量領(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量來自宇宙深處引力波的大型研究儀器[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)是通過對空間條紋的計(jì)數(shù)來研究光干涉原理,實(shí)現(xiàn)干涉測量.

用于測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源及其對微小位移測量精度的限制. 目前,LIGO測量精度為10-21m,其噪聲主要來源于真空場,微小位移測量精度同樣受限于真空場振幅起伏.

引力波測量原理演示實(shí)驗(yàn)采用小型激光干涉儀,對激光干涉測量微小位移精度極限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量,幫助學(xué)生理解量子真空場限制激光干涉引力波測量精度的物理原因以及引力波測量需要高達(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)裝置搭建相對簡單,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與真空場經(jīng)過分束器分為2個(gè)干涉光束(光束A和光束B);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,最后,2個(gè)干涉光束經(jīng)過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,可通過測量C和D的強(qiáng)度變化得到相位變化,繼而推測出產(chǎn)生相位移動(dòng)的微小位移值. 其中,C和D強(qiáng)度的最小可測量值Var(I)(干涉噪聲極限)對應(yīng)著位移的最小可測值.根據(jù)量子力學(xué)計(jì)算結(jié)果,C和D的最小可測量值為

圖3 激光干涉儀測量微小位移原理圖

Var (I)=N〈VV+〉 (sinφ)2,

(2)

其中,N為入射光子數(shù),V為真空場,φ為2個(gè)干涉臂相位差,也就是真空場被激光放大,成為激光干涉相位精度提升的限制因素. 原理上,N越大,相位測量精度越高,通過改變?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)過衰減器后,進(jìn)入馬赫-曾德爾干涉儀. 該干涉儀包括2個(gè)分束器和多面反射鏡. 干涉儀輸出被探測器探測. 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,干涉對比度達(dá)到90%以上;

c.測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量靈敏度;

d.理論分析激光干涉測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、激光干涉臂長等).

通過原理計(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量技術(shù).

2.2 激光干涉引力波測量虛擬演示實(shí)驗(yàn)

從1905年愛因斯坦提出引力波的概念到2016年首次測量到引力波,歷經(jīng)近百年時(shí)間. 引力波測量技術(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)在引力波測量中的重要性. 在激光干涉引力波測量裝置中,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)無法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)際實(shí)驗(yàn). 為了能夠更好地體現(xiàn)激光干涉引力波測量中的物理和工程技術(shù),設(shè)計(jì)了引力波測量虛擬演示實(shí)驗(yàn),全方位還原LIGO裝置和測量過程.

通過激光干涉儀引力波測量虛擬實(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)從書本知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過渡.

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,但是具體用于開展海森堡不確定關(guān)系實(shí)驗(yàn),需要解決2個(gè)問題:a.需要大量的粒子;b.微弱信號的測量技術(shù). 海森堡不確定關(guān)系式中,無論動(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,信號微弱,對測量儀器的精度要求較高. 另外,微弱信號的采集也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要解決的問題. 由于原子和電子數(shù)目較少且相互之間通常沒有相干關(guān)聯(lián),而量子現(xiàn)象需要通過大量統(tǒng)計(jì)事例得到,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長,且對設(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)合平衡零拍探測技術(shù),解決了上述2個(gè)問題. 在量子理論中,量子化光場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)合零拍測量技術(shù)開展海森堡不確定關(guān)系實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢為: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.通過零拍測量技術(shù)對光子的振幅和相位正交分量的微弱信號進(jìn)行1013～1015倍放大,采用普通光電探測器就能夠測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,b為強(qiáng)光場,則c和d為b對a的平衡零拍放大結(jié)果,經(jīng)過探測器探測,相減后輸入到頻譜分析儀進(jìn)行測量和分析,最終頻譜分析儀輸出結(jié)果為弱光場a的方差為

M.反射鏡 HD.平衡零拍探測 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光場的光子數(shù),(ΔX)2和(ΔY)2為a光場的振幅正交分量方差,θ為a和b的相位差.光場振幅正交算符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,能夠分別測量出振幅和相位正交算符方差,代入式(3),驗(yàn)證光場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量光路,測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)量子精密測量和量子信息等的基礎(chǔ). 當(dāng)今國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)換過程,同時(shí)出射1對糾纏光子,用4個(gè)單光子探測器分別對2個(gè)光子進(jìn)行測量,驗(yàn)證其糾纏特性. 如果對其中1個(gè)光子進(jìn)行塌縮測量,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,且單光子探測器非常脆弱,容易損壞,維護(hù)成本高.

單模壓縮光場和雙模壓縮光場為連續(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量光源. 以往通過非線性晶體中參量轉(zhuǎn)換過程產(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,探測器為常規(guī)光電探測器.

文獻(xiàn)[32]報(bào)道了通過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. 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)裝置簡單,探測器為硅光電探測器,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,壓縮光場與入射激光偏振相互垂直. 采用零拍測量可以直接觀測到壓縮光場的噪聲特性. 掃描局域振蕩場相位,在某些相位下,壓縮光場正交算符起伏小于真空場;另一些相位下,正交算符起伏大于真空場. 利用量子壓縮光場特性,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)過半波片1和偏振分束器后,進(jìn)入原子池2獲得壓縮光場. 該壓縮光場為平衡零拍探測裝置,完成壓縮度探測.

圖8 量子壓縮光場實(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.了解量子壓縮光場的產(chǎn)生機(jī)理,理解量子光場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,測量量子光場的相位以及振幅噪聲,得到相位和振幅測不準(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,量子測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量精度受限于真空場起伏,也稱標(biāo)準(zhǔn)量子極限. 將上述壓縮真空光替代真空場注入激光干涉儀,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場的能量起伏小,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)生的量子壓縮光場注入激光干涉儀,替代原本的真空場,最終觀察干涉輸出場的方差,干涉測量相位靈敏度受限于量子壓縮光場起伏,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.了解量子光場降低測量噪聲的原理,搭建光量子干涉儀,實(shí)驗(yàn)測量干涉噪聲,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)的量子干涉儀對于降低引力波測量技術(shù)難度的優(yōu)勢.

通過實(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程,可以讓學(xué)生了解量子精密測量技術(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)中掌握引力波探測中的量子實(shí)驗(yàn)技術(shù)的同時(shí),著重通過設(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. 課程開展過程采用“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. 授課過程中,按照“六步法”開展實(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)在于通過層次遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn),將引力波探測這一前沿科技進(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,并通過預(yù)設(shè)的思考問題引導(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,通過引力波測量原理的發(fā)展歷程以及我國量子科學(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,通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐,完成量子測量知識(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)踐過程中,教師可以根據(jù)學(xué)生對實(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)分析完成對實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程的綜合評價(jià).

通過本課程,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).