物理实验教学成果 | 基于金刚石NV色心的量子调控教学实验拓展

近期，来自复旦大学物理学系的周诗韵老师与赵铮阳同学在《物理实验》杂志上联合发表了“基于金刚石NV色心的量子调控教学实验拓展”的研究成果，基于国仪量子开发的金刚石量子计算教学机，介绍了基于金刚石NV色心体系进行量子计算的基础内容，即量子比特的初始化、调控及读出，设计并拓展了拉比振荡相关教学内容。该研究获得了教育部产学合作协同育人项目与国仪量子（合肥）技术有限公司的支持。

量子计算实验理论内容丰富，操作难度较大，顺利完成实验并不代表学生真正理解其内涵。因此，讨论量子计算实验内容的教学设计与拓展十分必要。研究人员以国仪量子生产的基于金刚石NV色心的量子计算实验仪为基础开展量子计算教学实验，包含两部分内容：

ａ．学习基础的量子调控，了解量子计算基本知识，如量子比特的初始化、操控和读出等；

ｂ．进行实际应用，学生通过实现经典的量子D-J算法，理解量子算法的优越性。

研究人员基于复旦大学的教学实践，着重讨论该实验的第一部分，即量子调控部分的教学内容与方法。

为更好地帮助学生理解，研究人员设计并拓展了拉比振荡相关教学内容：通过拉比振荡实验，了解微波与自旋的相互作用，熟悉量子态的初始化及读出方法；讨论拉比振荡实验中微波频率的影响，从而引出测量共振频率的方法；通过连续波实验测量共振频率，并讨论测量过程中微波时长参量对测量结果的影响；改变磁铁位置，定性展示了NV色心的系综特性，让学生了解实际仪器中如何进行参量优化。

通过该教学设计，老师们可对学生进行启发式教学，引导学生主动思考，帮助学生对量子调控的原理和技术理解得更加全面，为进一步实现量子计算打下良好的基础。

量子信息科学是一项由物理学、信息科学等多学科交叉融合在一起形成的新兴科学技术，具有广基础、重交叉、注重科研实践、理论实验相结合等特点。所以，在日常教学实践中让学生参与量子信息科学的实验实践，对帮助学生全面理解量子信息科学的基础——量子调控的原理和技术具有重要价值。

《物理实验》杂志创刊于1980年，是教育部主管、东北师范大学主办的学术期刊(物理类)，是教育部物理学与天文学教学指导委员会的会刊，主要刊载物理实验成果，交流物理实验教学改革的新思想、新方法、新动态。