量子计算机，这一20世纪的科学畅想，如今正在21世纪的实验室中逐步变为现实。从最初仅停留在理论层面的量子算法，到如今量子计算机展现出了在解决特定问题上远超经典计算机的潜力，特别是从“九章一号”到“九章三号”连续刷新量子计算优越性纪录。

量子计算机的发展为科研和技术应用打开了广阔的前景，但它的理论和实验基础对入门者来说并不简单。如何帮助学生和初学者理解量子门、纠缠态的形成以及量子算法的高效性，成为教育领域的重要课题。

九章量子研发的基于光子的量子计算原型教学机正是为此而设计的一款产品。通过这台设备，用户不仅可以重现诸如Deutsch-Jozsa算法等经典量子算法的实验，还能够亲自操控光子量子门，深刻体会光子作为量子比特载体的独特优越性。

图1：量子计算原型教学机

一、工作原理

由九章量子出品的量子计算原型教学机可开展单比特逻辑门实验、两比特逻辑门实验和Deutsch-Jozsa算法（简称为D-J算法）等实验项目。与量子纠缠系统类似，仪器主要由主机和电子学模块组成。主机为光路系统，包含双光子态制备模块（1）、D-J算法门线路模块（2）以及量子态测量模块（3）。电子学模块包含单光子探测器和符合计数器。

图2：量子计算原型教学机光路系统

工作原理如下：

模块一：双光子态制备

1.通过自发参量下转换过程，将激光脉冲入射到非线性晶体中，产生双光子态。

2.偏振分光棱镜（PBS）将光子分为水平偏振（H）光和竖直偏振（V）光两路。

3.H光光路为控制路，V光光路为目标路。

模块二：D-J算法门线路

1.通过半波片（HWP）、PBS及其他线性光学元件组合，实现D-J算法门线路。

2.主HWP用于改变输入量子比特的偏振态。

模块三：量子态测量

1.通过旋转HWP角度，得到在不同基矢下的投影测量结果。

2.通过光纤准直器连接光纤，将光信号传输到电子学模块。

二、产品亮点

亮点一：高性能光学元件，确保实验的高效性与可靠性

实验过程中，光学元件性能低下会影响实验数据的质量，例如光子产生速率不足或干扰信号过高。九章量子计算原型教学机选择高亮度、低噪声的光源和高精度的光学组件，以保证实验结果的准确性。尤其是高亮度光子源确保更高的实验效率。搭配高灵敏度探测器确保光子信号可靠捕捉，减少误差。

亮点二：教学适配性，从入门到进阶的全覆盖

量子计算理论复杂且抽象，初学者常面临上手难题。我们的量子计算原型教学机通过分阶段引导的设计，从基础概念（如量子叠加态、量子门操作）入手，逐步扩展到量子算法（如Deutsch-Jozsa算法）的实验应用，全面覆盖学习需求，帮助用户快速掌握量子计算的核心要点。

亮点三：模块化设计，学习量子计算的高效路径

为了帮助学习者逐步掌握关键概念并实践量子算法，我们的量子计算原型教学机采用模块化设计，将复杂的量子计算实验拆分为逻辑清晰的单元，每个模块聚焦一个核心知识点，用户可以按模块逐步学习。该教学机的模块包括双光子态制备、D-J算法门线路、量子态测量。

亮点四：教学资源丰富，助力系统化掌握量子计算

对于实验教学设备来说，如果缺乏配套的教学资源，便难以形成有效的教学闭环。我们的量子计算教学机随附完善的教学资料，包括实验指导书、PPT教学课件，以及涵盖实验操作的视频教程。这些资源从基础原理到实验实践，系统性地覆盖教学全过程，帮助用户更快掌握量子计算的核心知识点，并能顺利开展系统性的课程教学。

三、产品参数

四、应用领域

• 高校与科研机构的量子计算课程：教学机可用于教授量子计算的基础理论和实验技能，涵盖量子门操作、算法实现等内容，帮助学生从概念到实际动手操作快速入门。
• 中学科普教育：在中学量子计算科普课程中，可用于演示量子叠加等基本原理，激发学生兴趣，为未来量子技术学习打下基础。
• 教师培训与课程开发：为量子计算相关领域的教师提供培训工具，帮助开发更加直观和实用的量子计算课程内容。
• 跨学科课程：支持物理学、计算机科学、数学等多学科联合教学，通过实验强化学生对量子信息和计算的交叉学科的理解。

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