法国Kwan-Teach量子实验系统——揭开量子物理的神秘面纱

2024-08-26

在过去40年间，“量子技术”一词还鲜为人知，主要在实验室中，用于描述一些国际科学研究(多数是学术方面)。随着时间的推移，“量子技术”在过去10年间逐渐被众人知晓，现在更是朝着对公众产生重大影响的方向发展。根据量子基本现象的应用，量子技术可分为三大领域：量子传感，量子计算与模拟，量子通信。

量子技术包含量子计算、量子通信、量子传感三大领域

2023年各国投资金额排行榜(量子技术)

中国对量子科技的推进极为重视，对这方面的公共投资高居世界排行榜第一名，民间亦有相关投资。在全球变革的大潮中，中国上下一心，奋力抢占量子科技领域的先机，把握趋势，下好先手棋。

量子技术的核心基本现象是离散能级、量子叠加、量子纠缠、物质与电磁场之间的相互作用等。这三种应用（量子传感，量子计算与模拟，量子通信）共享相同的子系统或技术构建块，这些子系统或技术构建块被称为使能技术（激光器、光电探测器、电子、真空技术、低温、光纤、纳米制造等）。

除了介绍量子技术的三种应用及其发展趋势，目前最迫切的需求，是对不同的人员（技术人员、工程师、在校本科生、研究生和博士生）进行量子技术培训。对于已经在企业工作的工程师来说，进行类似的培训，有利于企业在机遇来临时能够牢牢抓住，及时进行与量子技术相关的转型。

2021年各国量子毕业生人数统计排名（千人）

在现有的量子技术教学环境下，量子教学工作者建议：在教学工作中，将实践与理论相结合，对学生理解量子技术的原理至关重要。在通常4 – 8小时的实践教学中，学生可以通过自己动手搭建实验系统和(尽可能多的用眼睛)观察量子现象来理解量子物理的基础概念，比使用计算机来模拟物理学要更加容易理解。现在，量子教学工作者已经注意到，将理论概念与实践操作相结合，能够增强学生对量子技术的理解，是一种非常有效的教学手段。

这就是法国KWAN-TEK公司构思并开发Kwan-Teach量子实验教学系统的原因。目前，Kwan-Teach量子实验教学系统已被多家大学、研究院所采用。该产品是模块化的，适用于从本科到博士阶段的量子实验教学。Kwan-Teach量子实验教学系统可以增强学生对量子技术基础概念的理解，特别是量子计算、量子传感与量子计量(如对量子比特的理解等)。

量子技术的基础概念庞杂又难懂，如光与物质的相互作用、能级、原子中的精细和超精细结构，这些是如何定义的？单量子比特操作如何实现？量子系统的相干性又是什么？Kwan-Teach量子实验教学系统可以带你找到答案，这其中金刚石氮空位（NV）色心功不可没。NV色心代表一个优异的量子系统，而Kwan-Teach量子实验教学系统运用NV色心的简单性，不需要复杂的激光系统，也不需要真空环境，在室温下即可操作。

单个NV色心示意图

NV色心技术是Kwan-Teach量子实验教学系统的核心，用来解释量子计算和量子传感中使用的基础概念，更容易让人理解。此外，它还为量子工程的可视化和理解其重要性提供契机，这在工程师培训中是必不可少的。

NV色心原子能级示意图

Kwan-Teach量子实验教学系统是一套模块化的、开放式平台，整个模块集成在一块面包板上，可以由学生或老师自行搭建。Kwan-Teach量子实验教学系统的用户手册有详细的操作步骤，而技术手册则将实际操作与理论概念相结合，可以作为教师讲解课程的基础。硕士1年级学生可进行4小时的教学实验，硕士2年级学生或博士可进行8小时的教学实验。Kwan-Teach量子实验教学系统提供几个精心设计的小型实验项目，可以在几天的课程中对学生或工程师进行连续培训。因此，Kwan-Teach量子实验教学系统满足了对量子技术实验教学的整体需求。仅仅一个产品，就集成了10多种解决方案，涵盖大多数量子技术概念，并为大学生成为下一代量子工程师做好准备。