量子教学机的制作方法

1.本技术涉及量子计算技术领域，特别涉及量子教学机。


背景技术：

2.量子信息相较于经典信息具有诸多技术优势，量子计算机用于实现对量子信息的处理，是领域内的研究热点。目前，囚禁离子的量子系统是有望实现量子计算机的系统之一，为了让人们能够“可视化”的了解量子信息技术以及量子计算机，量子教学机应运而生。
3.量子教学机的主要功能是现场实现对微粒的囚禁以及展示微粒囚禁状态。目前针对量子教学机进行研发的主体少之又少，已有的技术路线可归纳为两种：核磁共振路线以及基于线性保罗离子阱(paul trap，paul阱)的四级杆路线。其中，基于线性paul阱的四级杆路线的量子教学机存在明显的自动化及集成化程度低的问题，有待优化改进。此外，目前的量子教学机仍采用人工加料的方式进行加料，由于四级杆阱内存在高压，因此教学机的使用存在一定安全隐患。
4.针对相关技术中的上述问题，目前尚未发现存在有效的解决方案。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的技术问题，本技术提出了一种量子教学机，本技术提出的量子教学机能够直观地向人们展示微粒被囚禁的图像，并且在展示过程中通过使用加料装置代替人工加料避免了高压触电的风险。
6.本技术提出的量子教学机用于展示微粒囚禁状态，所述量子教学机包括：机壳以及位于机壳内的四级杆装置，围绕所述四级杆装置依次设置有成像装置、激光照亮装置、加料装置以及微粒回收装置，所述机壳上设置有显示屏；其中，
7.所述加料装置用于向所述四级杆装置中投放微粒，所述四级杆装置用于囚禁微粒，其中所述四级杆装置具有外壳，所述外壳上设有开口，所述开口的位置对应于所述四级杆装置中的微粒囚禁区域的位置，所述激光照亮装置和所述成像装置均位于所述开口的外侧，其中，所述激光照亮装置发射的激光能够通过所述开口照亮四级杆装置中的微粒，所述成像装置的镜头能够通过所述开口拍摄到所述微粒囚禁区域；以及，
8.所述成像装置用于拍摄被囚禁微粒并生成图像，所述显示屏用于显示所述图像，以展示被囚禁微粒的状态；所述微粒回收装置用于收集所述四级杆装置中掉落的微粒。
9.可选的，所述四级杆装置的外壳为方形外壳，其中，所述开口位于所述方形外壳的第一侧壁，所述加料装置位于所述方形外壳的第二侧壁的外侧，所述微粒回收装置位于所述方形外壳的第三侧壁的外侧；其中所述第二侧壁与所述第一侧壁相邻，所述第三侧壁与所述第一侧壁相对。
10.可选的，所述开口为条形开口，所述成像装置的镜头光轴与所述条形开口的延伸方向相交，所述激光照亮装置的激光出射方向与所述条形开口的延伸方向的夹角成锐角。
11.可选的，所述成像装置的镜头光轴与所述条形开口的延伸方向相互垂直。
12.可选的，所述成像装置的镜头光轴与所述条形开口的延伸方向相互垂直。可选的，所述加料装置包括内部气流管道和搅拌腔，作业时，微粒经进料口进入所述内部气流管道，通过所述内部气流管道内流动气体的带动进入所述搅拌腔，所述搅拌腔对微粒的运动速度和单位密度进行调节，以使微粒符合所述四级杆装置的作业要求。
13.可选的，所述量子教学机还包括调压阀装置，所述调压阀装置用于控制所述搅拌腔内的气体压力的大小，以调节微粒的运动速度。
14.可选的，所述加料装置还包括压力检测组件，所述压力检测组件用于检测所述搅拌腔内的气体压力，并将检测结果传输至所述调压阀装置。
15.可选的，所述加料装置的出料口与所述四级杆装置的进料口通过u型管道连接，所述u型管道位于加料装置和四级杆装置的上方。
16.可选的，通过所述加料装置进行加料过程中，操作者与所述四级杆装置不发生接触。
17.可选的，所述微粒回收装置包括回收腔和抽气泵，所述回收腔内设有回收滤袋，所述抽气泵与回收滤袋通过管道连接，所述回收滤袋上设有允许气体通过且不允许微粒通过的缝隙；作业时，携带微粒的气体经所述微粒回收装置的进料口进入所述回收滤袋，所述抽气泵抽取所述回收腔内的气体，使气体中的微粒留在所述回收滤袋内，完成回收。
18.可选的，所述四级杆装置中需回收的微粒包括被囚禁微粒和/或因不符合所述四级杆装置作业要求需回收的微粒。
19.可选的，所述机壳内设置有上支撑板和下支撑板，四级杆装置、成像装置、激光照亮装置、加料装置以及微粒回收装置设置在上支撑板上；在所述上支撑板与下支撑板之间设置有电控装置，所述电控装置用于为所述量子教学机提供电源管理和控制。
20.可选的，所述成像装置包括电荷耦合器件ccd成像系统；和/或，所述机壳上设有电源开关按钮、故障按钮和暂停按钮，所述故障按钮用于在所述量子教学机发生故障时闪烁和/或发出警报。
21.可选的，所述机壳为长方体，所述显示屏以预定角度倾斜安装在机壳上。
22.本技术提出的量子教学机将四级杆装置、成像装置、激光照亮装置、加料装置以及微粒回收装置均集成在机壳中，通过合理设置教学机机壳内部各装置的相对位置，使教学机不仅能够实现自动加料、微粒囚禁、微粒囚禁状态展示以及微粒自动回收的功能，达到微粒可视化的目的，并且教学机整体具备小型化、一体化、便于移动等优点，尤其适合作为针对在校学生的科普类教学设备，现场展示微粒囚禁状态，达到科普教学的目的。
附图说明
23.以下结合附图对本技术的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
24.图1是本技术示意性实施例的量子教学机的整体外观示意图；
25.图2是本技术示意性实施例的量子教学机的机壳内部结构的俯视示意图；
26.图3是本技术示意性实施例的量子教学机的机壳内部结构的立体示意图。
具体实施方式
27.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例
中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.在以下的详细描述中，可以参看作为本技术一部分用来说明本技术的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本技术的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本技术的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本技术的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
29.图1示意性地示出了本技术实施例的量子教学机的整体外观示意图，图2示意性地示出了本技术实施例的量子教学机的机壳内部结构的俯视示意图，图3示意性地示出了本技术实施例的量子教学机的机壳内部结构的立体示意图。结合图1至图3所示，量子教学机用于展示微粒囚禁状态，量子教学机包括机壳100以及位于机壳100内的四级杆装置201，围绕四级杆装置201依次设置有成像装置202、激光照亮装置203、加料装置206以及微粒回收装置204，机壳100上设置有显示屏103。
30.其中，加料装置206用于向四级杆装置201中投放微粒，四级杆装置201用于囚禁微粒，其中四级杆装置201具有外壳，外壳上设有开口201-1，开口201-1的位置对应于四级杆装置201中的微粒囚禁区域的位置，激光照亮装置203和成像装置202均位于开口201-1的外侧，其中，激光照亮装置203发射的激光能够通过开口201-1照亮四级杆装置201中的微粒，成像装置202的镜头能够通过开口201-1拍摄到微粒囚禁区域；在本技术的实施例中，参考图3，可通过调整激光照亮装置203和成像装置202的摆放位置，使得激光照亮装置203发射的激光能够通过开口201-1照亮微粒，并且成像装置202的镜头能够通过开口201-1拍摄到微粒囚禁区域。
31.其中，成像装置202用于拍摄被囚禁微粒并生成图像，显示屏103用于显示图像，以展示被囚禁微粒的状态；微粒回收装置204用于收集四级杆装置201中掉落的微粒。
32.按照本技术的实施例，操作人员启动量子教学机，将带有微粒的气体注入到加料装置206的进料口，加料装置206的出料口与四级杆装置201的进料口连接，经加料装置206的调节，微粒按照一定的密度和速率进入四级杆装置201，微粒从四级杆装置201的进料口进入后，通过调节四级杆装置201的电压，将不符合要求的微粒筛选出去，四级杆装置201的出料口与微粒回收装置204的进料口连接，不符合要求的微粒可通过四级杆装置201的出料口随气流进入微粒回收装置204进行回收；而后调节四级杆装置201的电压，使符合要求的微粒排成等间距的一条直线囚禁在四级杆装置201的预定区域内。同时，激光照亮装置203通过四级杆装置201的开口201-1照亮微粒的囚禁区域，成像装置202通过开口201-1生成囚禁的微粒图像，显示屏103展示成像装置202生成的图像，学生或其他观看人员通过显示屏103观看微粒的囚禁图像，能够对抽象的量子理论知识得到直观的印象，达到启蒙学习的效果。
33.此外，本技术提出的量子教学机通过合理设置教学机内部装置的位置，使以往需要人工投放微粒到带高压的四级杆装置201的操作可以转变为通过加料装置206投放微粒，避免了人工加料触高压的风险，提高了量子教学机操作的安全性。
34.作为一种示例，如图3所示的实施例，四级杆装置201的外壳为方形外壳，其中，开
口201-1位于方形外壳的第一侧壁，加料装置206位于方形外壳的第二侧壁的外侧，微粒回收装置204位于方形外壳的第三侧壁的外侧；其中第二侧壁与第一侧壁相邻，第三侧壁与第一侧壁相对。即，成像装置202与微粒回收装置204相对，加料装置206与微粒回收装置、激光照亮装置相邻。
35.如图3所示的实施例，开口201-1为条形开口，成像装置202的镜头光轴与条形开口201-1的延伸方向相交，激光照亮装置203的激光出射方向与条形开口201-1的延伸方向的夹角成锐角。
36.在本技术的一些实施例中，成像装置202的镜头光轴与条形开口201-1的延伸方向相互垂直。这样能够便于成像装置202通过开口201-1拍摄开口内的画面。其中，可选地，成像装置202可采用电荷耦合器件ccd成像系统。
37.在其他的实施例中，四级杆装置201的外壳还可以设计为其他形状，例如五棱柱、圆柱体等等。在其他的实施例中，开口201-1还可以设计为其他形状，例如正方形、圆形、梯形等等；在一些实施例中，开口201-1的面积与方形外壳的第一侧壁的面积相同，也就是说，方形外壳可以是一侧敞开的。在不同的实施例中，可根据装置的结构属性或使用需求设置四级杆装置201的外壳以及外壳上开口的形状，本技术实施例的量子教学机对此没有特殊限制。
38.在本技术的一些实施例中，加料装置206包括内部气流管道和搅拌腔，作业时，微粒经进料口进入内部气流管道，通过内部气流管道内流动气体的带动进入搅拌腔，搅拌腔对微粒的运动速度和单位密度进行调节，以使微粒符合四级杆装置201的作业要求。
39.也就是说，进入气流管道的微粒在管道内气体的带动下，微粒在管道内随气体流动进入搅拌腔，在搅拌腔的作用下微粒的状态和精度达到预设要求，进而流动到四级杆装置201内，完成由加料装置向四级杆装置添加微粒的过程。
40.在本技术的一些实施例中，机壳100内还设置有调压阀装置205，调压阀装置205通过控制加料装置206作业时的吹气气体压力的大小，以对加料装置206作业时的微粒速度进行调节。
41.如图3所示的实施例，调压阀装置205位于四级杆装置201外壳的第四侧壁的外侧，与加料装置206相对放置。调压阀装置205与加料装置206通过管道连通，作业时，通过控制调压阀装置205调节进入加料装置206气体的压力大小，以使进入加料装置206的微粒以预定的速度进入四级杆装置201。
42.在本技术的一些实施例中，加料装置206还包括压力检测组件，其用于检测搅拌腔内的气体压力，并将检测结果传输至调压阀装置205。
43.例如，当搅拌腔内气压变化时，压力检测组件将检测到的压力值信息传送给调压阀装置205，如果压力值不符合预定值，则调压阀装置205调节输入加料装置206进料口气体的压力，以达到腔内所需的压力。
44.在本技术的一些实施例中，加料装置206的出料口与四级杆装置201的进料口通过u型管道连接，u型管道位于加料装置206和四级杆装置201的上方。在其他的实施例中，也可选用其他类型(例如l型)的管道将加料装置206的出料口与四级杆装置201的进料口连接。
45.这样，工作人员向加料装置206投放微粒，微粒经加料装置206的调节后从u型管道进入到四级杆装置201中，因此通过加料装置206进行加料过程中，操作者与四级杆装置201
不发生接触，可避免工作人员与带高压的四级杆装置201接触而发生触电危险，确保量子教学机使用过程安全。
46.微粒回收装置204包括回收腔和抽气泵204-1，回收腔内设有回收滤袋，抽气泵204-1与回收滤袋通过管道连接，回收滤袋上设有允许气体通过且不允许微粒通过的缝隙；作业时，携带微粒的气体经微粒回收装置204的进料口进入回收滤袋，抽气泵204-1抽取回收腔内的气体，使气体中的微粒留在回收滤袋内，完成回收。
47.四级杆装置201中需回收的微粒包括被囚禁微粒和/或因不符合四级杆装置201作业要求而需回收的微粒。
48.微粒在经四级杆装置201囚禁后，需在交流电压消失后经自身重力下掉落堆积，之后在由人工采用清理毛刷清理干净。而回收微粒的操作，需等待量子教学机工作结束后，由人工采用清理毛刷清理干净，人工操作成本高，耗时长。微粒回收装置204与四级杆装置201连接后，通过抽气泵204-1和设于回收腔内的回收滤袋的配合，抽气泵204-1抽取回收腔内的气体使回收腔内形成负压，此时，四级杆装置201中带微粒的气体在负压下可经微粒回收装置204的进料口进入回收滤袋并被回收滤袋收集，清除回收颗粒，无需人工再去清扫四级杆装置201中掉落的微粒，降低工作人员负担，提高四级杆装置201的作业效率。
49.在本技术的一些实施例中，如图3所示的实施例，机壳100内设置有上支撑板101和下支撑板102，四级杆装置201、成像装置202、激光照亮装置203、加料装置206以及微粒回收装置204设置在上支撑板101上；在上支撑板101与下支撑板102之间还可设置电控装置，电控装置用于为量子教学机内的各个装置提供电源管理和控制。此外，调压阀装置205与加料装置206之间的管道(图3中未示出)可置于上支撑板101的下方，管路走线设计更为合理。
50.如图1所示的实施例，机壳100为长方体，显示屏103以预定角度倾斜安装在机壳100上。这样学习人员能够通过显示屏103观看被囚禁的微粒状态。机壳100上设有电源开关按钮104、故障按钮105和暂停按钮106，故障105按钮用于在量子教学机发生故障时闪烁和/或发出警报。教学机故障通常有四级杆装置201中微粒不足、微粒无法正常进入四级杆装置201中、微粒回收装置204无法正常工作等。故障按钮的设置可及时提醒工作人员处理故障。
51.基于本技术以上至少一个实施例，学生通过量子教学机的显示屏能够直观地观察到被囚禁的微粒状态，达到启蒙教育的目的，在此前提下，通过设置自动加料装置，可避免工作人员在加料时直接与带高压的四级杆装置接触，提高了操作安全性；通过设置微粒回收装置，使待回收微粒经微粒回收装置回收，降低工作人员劳动强度，提高教学机的利用率。
52.以上通过多个实施例描述了本技术实施例的量子教学机的结构特点及技术优势。以下以待囚禁微粒为sic微粒并以四级杆阱对其进行囚禁展示为例，大致描述本技术实施例的量子教学机的操作流程。
53.①
首先将sic微粒(直径约为10微米左右)放入加料装置中；
54.②
启动电机，加料装置开始工作，sic微粒在搅拌腔内被充分“搅拌”，使sic微粒在搅拌腔内随气体移动；
55.③
启动微粒回收装置的抽气泵(前期设定好调压阀和调速阀)，抽气泵工作数秒(例如3秒、5秒等)后暂停工作，完成加料过程；
56.④
将四级杆阱的交流ac电源上电到4kv(峰值)，再将直流dc电源上电到500v，此
时，会有微粒从尖端电极处击飞。其中，可通过调节vc峰值电压，实现筛选微粒的过程；
57.⑤
调节dc电压至50v，可使sic微粒排列成一条等间距的直线，在触摸屏显示sic微粒囚禁画面，完成整个流程。
58.从上述操作流程可以看出，量子教学机使用加料装置可大幅提高作业效率和产品的利用率，降低操作员触电风险，消除安全隐患；使用微粒回收装置可提高微粒循环利用率；通过显示屏展示，sic微粒囚禁状态可视化强，易于大众接受，尤其适合于在科普教学的场合使用。
59.上述实施例仅供说明本技术之用，而并非是对本技术的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本技术范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本技术公开的范畴。

技术特征：
1.一种量子教学机，其特征在于，用于展示微粒囚禁状态，所述量子教学机包括：机壳以及位于机壳内的四级杆装置，围绕所述四级杆装置依次设置有成像装置、激光照亮装置、加料装置以及微粒回收装置，所述机壳上设置有显示屏；其中，所述加料装置用于向所述四级杆装置中投放微粒，所述四级杆装置用于囚禁微粒，其中所述四级杆装置具有外壳，所述外壳上设有开口，所述开口的位置对应于所述四级杆装置中的微粒囚禁区域的位置，所述激光照亮装置和所述成像装置均位于所述开口的外侧，其中，所述激光照亮装置发射的激光能够通过所述开口照亮四级杆装置中的微粒，所述成像装置的镜头能够通过所述开口拍摄到所述微粒囚禁区域；以及，所述成像装置用于拍摄被囚禁微粒并生成图像，所述显示屏用于显示所述图像，以展示被囚禁微粒的状态；所述微粒回收装置用于收集所述四级杆装置中掉落的微粒。2.根据权利要求1所述的量子教学机，其特征在于，所述四级杆装置的外壳为方形外壳，其中，所述开口位于所述方形外壳的第一侧壁，所述加料装置位于所述方形外壳的第二侧壁的外侧，所述微粒回收装置位于所述方形外壳的第三侧壁的外侧；其中所述第二侧壁与所述第一侧壁相邻，所述第三侧壁与所述第一侧壁相对。3.根据权利要求1所述的量子教学机，其特征在于，所述开口为条形开口，所述成像装置的镜头光轴与所述条形开口的延伸方向相交，所述激光照亮装置的激光出射方向与所述条形开口的延伸方向的夹角成锐角。4.根据权利要求3所述的量子教学机，其特征在于，所述成像装置的镜头光轴与所述条形开口的延伸方向相互垂直。5.根据权利要求1所述的量子教学机，其特征在于，所述加料装置包括内部气流管道和搅拌腔，作业时，微粒经进料口进入所述内部气流管道，通过所述内部气流管道内流动气体的带动进入所述搅拌腔，所述搅拌腔对微粒的运动速度和单位密度进行调节，以使微粒符合所述四级杆装置的作业要求。6.根据权利要求5所述的量子教学机，其特征在于，还包括调压阀装置，所述调压阀装置用于控制所述搅拌腔内的气体压力的大小，以调节微粒的运动速度。7.根据权利要求6所述的量子教学机，其特征在于，所述加料装置还包括压力检测组件，所述压力检测组件用于检测所述搅拌腔内的气体压力，并将检测结果传输至所述调压阀装置。8.根据权利要求1所述的量子教学机，其特征在于，所述加料装置的出料口与所述四级杆装置的进料口通过u型管道连接，所述u型管道位于加料装置和四级杆装置的上方。9.根据权利要求1-8中任一项所述的量子教学机，其特征在于，通过所述加料装置进行加料过程中，操作者与所述四级杆装置不发生接触。10.根据权利要求1所述的量子教学机，其特征在于，所述微粒回收装置包括回收腔和抽气泵，所述回收腔内设有回收滤袋，所述抽气泵与回收滤袋通过管道连接，所述回收滤袋上设有允许气体通过且不允许微粒通过的缝隙；作业时，携带微粒的气体经所述微粒回收装置的进料口进入所述回收滤袋，所述抽气泵抽取所述回收腔内的气体，使气体中的微粒留在所述回收滤袋内，完成回收。11.根据权利要求1所述的量子教学机，其特征在于，所述四级杆装置中需回收的微粒包括被囚禁微粒和/或因不符合所述四级杆装置作业要求而需回收的微粒。
12.根据权利要求1所述的量子教学机，其特征在于，所述机壳内设置有上支撑板和下支撑板，四级杆装置、成像装置、激光照亮装置、加料装置以及微粒回收装置设置在上支撑板上；在所述上支撑板与下支撑板之间设置有电控装置，所述电控装置用于为所述量子教学机提供电源管理和控制。13.根据权利要求1所述的量子教学机，其特征在于，所述成像装置包括电荷耦合器件ccd成像系统；和/或，所述机壳上设有电源开关按钮、故障按钮和暂停按钮，所述故障按钮用于在所述量子教学机发生故障时闪烁和/或发出警报。14.根据权利要求1所述的量子教学机，其特征在于，所述机壳为长方体，所述显示屏以预定角度倾斜安装在所述机壳上。

技术总结
本申请涉及量子教学机，包括：机壳以及位于机壳内的四级杆装置，围绕所述四级杆装置依次设置有成像装置、激光照亮装置、加料装置以及微粒回收装置，所述机壳上设置有显示屏；加料装置用于向四级杆装置中投放微粒，四级杆装置用于将微粒囚禁在预定区域内，预定区域与开口的位置相对应，激光照亮装置用于向开口内发出激光以照亮被囚禁微粒，成像装置用于通过开口拍摄被囚禁微粒并生成图像，显示屏用于显示所述图像，以展示被囚禁微粒的状态；微粒回收装置用于收集四级杆装置中掉落的微粒。本申请提出的量子教学机能够直观地向人们展示微粒囚禁状态。囚禁状态。囚禁状态。


技术研发人员：周卓俊 蔡建杰 师静姝 詹苏 韩琢 罗乐
受保护的技术使用者：国开启科量子技术（北京）有限公司
技术研发日：2022.11.15
技术公布日：2023/7/23