量子力学本科教学演示仪之量子真空场测量

2021-07-04 07:17郭超修尹亚玲陈丽清

大学物理 2021年7期

吴媛，郭超修，尹亚玲，陈丽清

(华东师范大学物理与电子科学学院物理实验教学中心，上海 200241 )

伴随着量子力学的发展，物理学的研究已经从宏观世界的存在形式和运动规律转向微观世界[1]. 相比于宏观世界，微观世界的存在形式和运动规律通常无法直接观测到，需要相应的量子实验技术才可以测量[2]. 目前，平衡零拍探测技术作为常用的量子测量手段，广泛应用于科学实验研究，并在诸如引力波探测[3]、量子磁力计[4]以及量子重力仪[5]等量子精密测量领域取得了重大突破[6]. 然而,该实验技术并未普及到大学物理实验课程中，导致量子力学在物理本科教学中仍停留在理论讲解阶段，缺乏相关实验验证帮助学生理解相关理论. 因此，填补量子实验技术在本科实验教学中的空白显得极为迫切.

此外，在新工科的背景下，为了培养创新型人才，需要将最新的科学研究成果与基础物理实验相结合[7]，研发具有“设计性、研究型、探索性”的基于量子力学的实验教学演示仪. 通过该实验教学演示仪，让本科生掌握量子物理基本原理及相关实验技术的同时，与时俱进的了解前沿科学技术发展，培养学生适应现代科学技术高速发展的科学思维能力、创造创新能力和理论联系实际等综合能力，为新工科人才的培养奠定基础[8].

在量子力学中认为真空存在涨落，即“真空不空”. 这一实验现象由于真空场的能量比较小，通常淹没在探测器以及采集系统的电子学噪声里而无法直接测量到等原因，导致在经典物理中被认为是“真空能量为零”. 为了验证真空场的能量是否为零，本论文提出一种量子真空场测量的实验教学演示仪，利用平衡零拍探测的量子实验技术，通过光学放大过程将真空场强度放大，实现直接用普通光电探测器测量真空涨落. 本实验教学演示仪将量子力学实验充实到大学物理实验体系中，实验装置简单，现象直观，易于操作且耐用，让学生在验证理论知识的同时，掌握了量子实验技术.

1 真空测量的演示原理

(1)

由于入射光束1与光束2无任何关联，所以〈a†aVV†〉=〈a†a〉〈VV†〉. 其中，〈a†a〉=N为光束1的光子数，〈VV†〉为真空场起伏. 当光束1的能量足够大时，可以忽略其能量起伏. 此时功率谱满足Ps∝N〈VV†〉. 根据以上分析，本教学仪设计如下讨论进行真空场测量，具体如下：

1) 若如经典物理认为的“真空没有任何能量起伏”，即：〈VV†〉=0. 根据式(1)可知，Ps≡0. 此时，频谱分析仪上各个频率下的功率谱只是电子学噪声的贡献. 因此，无论光束1的光子数N如何变化，功率谱均不变.

2) 若如量子力学认为的“真空存在涨落且其涨落为单光子量级”，即〈VV†〉≠0，则在去除电子学噪声后，根据式(1)可知，Ps随着N成线性变化的关系. 当N足够大，真空场起伏〈VV†〉被放大了N倍，从不可测量的量级达到普通光电探测器可以测量的量级. 因此，通过测量Ps和N的线性关系，可以验证真空场存在涨落.

因此，本教学演示仪通过平衡零拍探测的量子实验技术，测量Ps是否会随着N的改变而改变，实现真空不空的验证. 当Ps不随着N的改变而改变时，则证明真空没有能量起伏. 反之，当Ps随着N成线性变化时，则证明真空场确实存在. 根据以上原理，学生搭建实验装置，采集相关数据，验证相关物理现象.