一种验证海森堡不确定性原理演示装置及演示方法与流程

1.本发明涉及光学及测量技术领域，尤其涉及一种验证海森堡不确定性原理的实验教学演示装置及方法。


背景技术：

2.大学物理教学中，量子力学的知识点是抽象不易理解的。其中，海森堡不确定性原理作为量子力学的基础，其用于描述微观粒子在运动过程中不能同时具有确定的时空位置和动量。这与经典物理中可以任意精确获得物体的位置、动量等动力学变量的认知是矛盾的。同时，不确定性原理在现实生活中不易观察到，相关实验教学装置在实验教学中缺乏等原因，导致量子力学晦涩难懂，成为本科教学过程中的难题。
3.然而，近十年来，量子光源、量子测量以及量子计算机等都是在海森堡不确定性原理的基础上发展起来，并在国际物理领域取得重大进展，因此设计一种验证海森堡不确定性原理的实验教学演示装置及方法对于提升大学物理专业本科学生培养的素质很重要。
4.然而，传统的海森堡不确定性原理验证实验都是通过电子衍射实验实现，该实验设备复杂，设备昂贵，且操作和调试都非常复杂，并不适用于大学物理实验。因此，本发明旨在提出一种验证海森堡不确定性原理的实验教学演示装置及方法，满足物理清晰、实验现象直观、仪器易操作且易于维护等特点，为量子测量技术的普及提供了可能。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种验证海森堡不确定性原理的实验教学演示装置及方法，旨在将量子力学基础原理通过实验的方式进行演示，使得本科生了解并掌握量子力学的原理及方法。
6.为了实现上述目的，本发明提出了一种验证海森堡不确定性原理的实验教学演示装置，包括：激光器、任意分束比m
‑
z干涉仪以及数据采集系统。其中，
7.所述激光器，其用于发出单色的频率稳定的入射激光；
8.所述任意分束比m
‑
z干涉仪，其包括反射镜、半波片、偏振分束器、相位调制器、第一信号发生器、合束器；
9.其中，通过调整第一半波片，使得通过偏振分束器的光比例不同，从而构成任意比例的分束器。调整该任意比例的分束器的分光比例，分别开展相干光的平衡零拍探测实验和m
‑
z干涉仪的强度探测实验，分别验证量子正交算符的不确定性原理以及粒子数和相位之间的不确定性原理的验证。
10.调整第二半波片，使得m
‑
z干涉仪两臂偏振一致，获得高的干涉对比度；
11.所述数据采集系统，其包括平衡零拍探测器、乘法器、第二信号发生器、低通滤波器以及示波器；其用于数据采集和分析。所述第一光电探测器、第二光电探测器和减法器构成平衡零拍探测器。
12.本发明中的第一信号发生器和所述第二信号发生器采用的是一个双通道信号发
生器。
13.基于以上装置，本发明还提出了一种验证海森堡不确定性原理的实验教学演示方法，具体步骤如下：
14.步骤1：激光器发出的单色的频率稳定的入射激光，通过第一反射镜进入分束比可调的m
‑
z干涉仪；
15.步骤2：第一半波片和偏振分束器构成分光比可调的分束器。调整第一半波片，使得通过偏振分束器的分光比例不同，调整偏振分束器分光比为90：10，开展相干光的平衡零拍探测实验；
16.步骤3：第一信号发生器发出三角波，驱动相位调制器。调整光路，保证第一光电探测器和第二光电探测器的输出电压一致，并利用示波器记录干涉信号；
17.步骤4：干涉信号与第二信号发生器发出正弦信号，依次经过乘法器和低通滤波器后，利用示波器记录噪声信号；
18.步骤5：将所述步骤3和步骤4中记录的干涉信号和噪声信号进行对比。其中，干涉相长处对应的噪声信号为幅度正交算符起伏<(δx)2>，干涉相消处对应的噪声信号为相位正交算符起伏<(δy)2>。记录相关数据并通过计算<(δx)2><(δy)2>验证量子正交算符的不确定性；
19.步骤6：改变光强，验证不同光强下，量子正交算符的不确定性关系；
20.步骤7：调整第一半波片，使得偏振分束器分光比为50：50，开展m
‑
z干涉仪的强度探测；
21.步骤8：重复步骤3和步骤4，其中，干涉相长处对应的噪声信号为粒子数起伏δn，干涉相消处对应的噪声信号为相位不确定度记录相关数据并通过计算验证粒子数和相位之间的不确定性；
22.步骤9：改变光强，验证不同光强下，粒子数和相位之间的不确定性关系。
23.本发明的有益效果在于：
24.本发明提供的海森堡不确定性原理验证的教学演示装置及方法，可以验证量子正交算符的不确定性关系以及粒子数和相位之间的不确定性关系，将量子力学基础理论通过实验的方式进行展示，帮助学生更加直观的了解量子力学的原理及方法。本发明提出的装置及方法使用方便，实验效果直观，为量子测量技术的普及提供了可能。同时，本发明提出的教学演示装置及方法，造价低廉，结构简单，便于操作及维护，适用于大学物理实验教学，也为量子测量技术的普及提供了可能。本发明通过验证海森堡不确定性原理，将量子力学通过大学物理实验的方式引入本科生教学课堂，装置简单，操作方便，有利于学生通过实验的方式对量子力学的理解。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明提出的海森堡不确定性原理验证的教学演示装置的示意图。
27.图2是本发明提出的海森堡不确定性原理验证的教学演示方法的流程图。
28.其中，1
‑
激光器，2
‑
第一反射镜，3
‑
第一半波片，4
‑
偏振分束器，5
‑
第二反射镜，6
‑
第三反射镜，7
‑
第四反射镜，8
‑
第二半波片，9
‑
第五反射镜，10
‑
相位调制器，11
‑
合束器，12
‑
第六反射镜，13
‑
第一光电探测器，14
‑
第二光电探测器，15
‑
减法器，16
‑
双通道信号发生器，17
‑
乘法器，18
‑
低通滤波器，19
‑
示波器。
具体实施方式
29.结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
30.本发明第一方面提供了一种验证海森堡不确定性原理的教学演示装置。具体如下：
31.激光器1发出单色的频率稳定的激光；
32.第一半波片3，偏振分束器4，第二反射镜5，第三反射镜6，第四反射镜7，第二半波片8，第五反射镜9，相位调制器10、第一信号发生器和合束器11构成分束比可调的m
‑
z干涉仪；
33.第一光电探测器13，第二光电探测器14，减法器15，第二信号发生器，乘法器17，低通滤波器18以及示波器19构成数据采集系统；其中，所述第一光电探测器13、第二光电探测器14和减法器15构成平衡零拍探测器。
34.其中，激光器1发出的光波通过第一反射镜2进入分束比可调的m
‑
z干涉仪；
35.其中，第一半波片3和偏振分束器4构成分光比可调的分束器。调整第一半波片3，通过偏振分束器4的分光比例不同。调整该任意比例的分束器的分光比例，分别开展相干光的平衡零拍探测实验和m
‑
z干涉仪的强度探测实验，分别验证量子正交算符的不确定性原理以及粒子数和相位之间的不确定性原理的验证。
36.本发明装置包含激光器1、任意分束比m
‑
z干涉仪以及数据采集系统。其中，激光器1发出单色的频率稳定的入射激光，通过由反射镜、半波片、偏振分束器4、相位调制器10、第一信号发生器和合束器11构成的任意分束比m
‑
z干涉仪。相关数据通过由平衡零拍探测器、乘法器17、第二信号发生器、低通滤波器18以及示波器19构成的采集系统进行分析处理。
37.基于以上装置，本发明还提出一种验证海森堡不确定性原理的实验教学演示方法。该方法一方面通过相干光的平衡零拍探测验证量子正交算符的不确定性原理，另一方面通过m
‑
z干涉仪的强度探测验证粒子数和相位之间的不确定性原理。
38.本发明第二方面提供了一种验证海森堡不确定性原理的教学演示方法，具体步骤如下：
39.步骤1：激光器1发出的单色的频率稳定的入射激光；
40.步骤2：调整第一半波片3，使得偏振分束器4分光比为90：10，开展相干光的平衡零拍探测；
41.步骤3：第一信号发生器发出三角波，驱动相位调制器10。调整光路，保证平衡零拍探测器的输出电压一致，并利用示波器19记录干涉信号；
42.步骤4：干涉信号与第二信号发生器发出正弦信号，依次经过乘法器17和低通滤波
器18后，利用示波器19记录噪声信号；
43.步骤5：将所述步骤3和步骤4中记录的干涉信号和噪声信号进行对比。其中，干涉相长处对应的噪声信号为幅度正交算符起伏<(δx)2>，干涉相消处对应的噪声信号为相位正交算符起伏<(δy)2>。记录相关数据并通过计算<(δx)2><(δy)2>验证量子正交算符的不确定性。
44.步骤6：改变光强，验证不同光强下，量子正交算符的不确定性关系；
45.步骤7：调整第一半波片3，使得偏振分束器4分光比为50：50，开展m
‑
z干涉仪的强度探测；
46.步骤8：重复步骤3和步骤4，其中，干涉相长处对应的噪声信号为粒子数起伏δn，干涉相消处对应的噪声信号为相位不确定度记录相关数据并通过计算验证粒子数和相位之间的不确定性；
47.步骤9：改变光强，验证不同光强下，粒子数和相位之间的不确定性关系。
48.本发明通过验证海森堡不确定性原理，将量子力学通过大学物理实验的方式引入本科生教学课堂，装置简单，操作方便，有利于学生通过实验的方式对量子力学的理解。
49.以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。