量子纠缠组网虚拟仿真实验一共分为三个阶段：

在第一阶段进行实验背景介绍，在这里要求学生1. 学习实验相关背景，了解实验目的，并学习实验的安全操作。

第二阶段包含实验的验证与拓展，要求学生通过以下四个步骤：1. 产生光子对 2. 测量光子对 3. 优化纠缠度 4. 变换纠缠态 实现纠缠源调制系统的产生与优化；其次要求学生通过1. 引导干涉光路2. 校准偏振3. 校准延时4. 验证纠缠交换 实现系统的干涉校准和纠缠交换。
第三阶段包含实验应用实例，要求学生通过1. 优化纠缠组网 2. 量子密钥分发 3. 量子通信加密实现纠缠组网优化和信息加密传输。

整个过程要求学生采用观察法、控制变量法、比较法、自主设计法，注重一人一解、自主设计。

1.实验的必要性及实用性

从上个世纪以来量子力学理论的研究推动了众多高新技术产业的发展，其中量子保密通信以其无条件安全的特性，已逐步成为21世纪保密通信领域发展的主流，而量子计算也因量子力学叠加性能够在理论上提供远超传统计算机的处理速度，正成为计算机技术的发展前沿。与此同时，近年来我国在量子信息领域加大投入、加速基础应用布局。量子信息被我国在《第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》列为事关国家安全和发展全局的基础核心领域。而在2021年，量子信息科学也被列入普通高校本科新增专业。量子纠缠是量子通信和量子计算的重要资源。量子纠缠网络不仅可为长距离量子保密通信提供无条件的安全保障，还可为通用量子计算机提供计算资源。在构建量子纠缠网络的过程中，不仅需要制备高品质的量子纠缠态，还需要在节点之间进行高品质的纠缠交换，才能把各个节点链接起来。面对这样一个大背景和新兴教学学科的需求，开设量子纠缠网络实验教学课程对于推动理论教学与实验的结合，储备量子信息领域实用新型人才具有重大意义。

现有的量子信息相关实验课程一般包括量子光源、量子测量、量子随机数实验、量子计算实验、量子纠缠及交换等实验。其中量子光源和测量对实验环境要求较低，无需大型精密实验平台即可完成，其操作难度可类比于普通物理相关实验。而量子随机数和量子计算实验更多的则是考察学生在硬件编程方面的知识功底，因而不需要耗材、昂贵、甚至危险的实验场地建设。量子纠缠相关实验课程进行虚拟仿真建设的必要性主要有以下几点：

(1) 高危险：该实验所需的激光资源更要求是造价颇为昂贵的大型相干激光器，该种激光器产生高功率的强激光，操作不当容易会灼伤眼睛和皮肤，对实验操作人员带来很高的安全风险。

(2) 原理现实不可及：量子纠缠是一种微观世界特有的现象，其本质是一种很强的关联性。在现实实验中，无法直观地观察到量子纠缠现象，必须通过一些观测量去理解，因而其原理现象现实不可及。

(3) 环境现实不可及：量子纠缠相关实验需要稳定且不受外界干扰的超净室环境，纠缠源的制备更是十分考验实验者的实验经验。此外量子纠缠网络的应用场景多为卫星-地面等长距离、现实不可及的情况。

受以上因素限制，使得该实验很难由本科生直接操作，目前各大院校还几乎无法承担量子纠缠网络实验教学的任务。因此，开设量子纠缠网络虚拟仿真实验具有重要意义并且非常有必要。本虚拟仿真实验教学课程以南京邮电大学通信与信息工程学院本科课程教学内容为依托，面向量子纠缠网络的长距离保密通信应用，建立虚拟仿真教学场景，将难以在实验室开展的实验教学变为现实，使学生身临其境，不受场地和时间限制地去操作实验仪器。

2. 教学设计的合理性

在教学过程中，整个课程设置32学时，其中3个课时用于虚拟仿真实验操作，主要包括纠缠源制备、纠缠交换组网、量子保密通信应用三个模块，分别对应于原理认知、综合训练、自由探索三个层次，层层递进，由浅入深。学习过程紧扣高阶性、创新性和挑战度的要求，从基础实验装置的认识和搭建开始，逐步完成系统设计，循序渐进，一步一步引导加深学生对于量子纠缠原理和应用的理解，提升学生对量子纠缠网络的认识和学习兴趣。此外，评价体系从多方面考察，通过设置横向和纵向区分度，一人一题，构建综合多重赋分模型，逐步达成培养目标。

3. 实验系统的先进性

本虚拟仿真实验系统，在实验内容和系统设计上均体现了先进性：

(1) 针对量子信息领域的前沿问题，将量子纠缠的高阶、抽象的概念原理，以及基于量子纠缠的组网通信应用内容引入实验教学。

(2) 采用Unity软件进行3D建模技术，重现真实实验场景，在关键光学器件的建模上，严格遵循物理定律，整套纠缠网络的制备与测量以及后续的应用均有完整的底层机理和真实实验数据支撑。

(3) 在方案设计上具有重要创新性，从纠缠源的制备到具体应用均有涉及，将多种实验参数引入3D建模仿真系统，增加纠缠网络的可调节性和多样性，引导学生在该网络上进行创新性方案改进和操作。 

(4) 仿真过程中设置了完善的考核和提醒机制，学生在完成实验的过程中，需要根据原理和实验装置图，调控实验器件，针对关键点和容易出现错误的操作步骤，页面闪出恰当的提醒和提示信号，引导学生积极动脑思考问题，纠正错误。

整个过程中，教师仅需要根据后台数据，就可以了解学生对操作的掌握情况，观察到学生对量子纠缠网络的物理原理的理解，具有非常好的先进性。  

  （一）思想、素质教育目标

目标1.1  培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科学态度和刻苦钻研作风的思想素养；

目标1.2  培养学生科学思维方法、创新意识的专业素质；

目标1.3  培养量子科技报国的情怀，树立科普量子技术的社会责任感

（二）知识教学目标

目标2.1  掌握量子纠缠的原理与现象；

目标2.2  掌握量子纠缠源的产生与优化；

目标2.3  掌握量子纠缠的拓展与通信应用。

（三）能力教学目标

目标3.1  培养搭建量子纠缠源的实验操作能力；

目标3.2  培养优化实验参数的分析思考能力；

目标3.3  培养量子通信组网方案的设计能力。

（1）学生交互性操作步骤，共12步

上述步骤中采用了多重赋分模型：我们从国家社会需求和个人需求出发，以通信工程专业培养大纲为导向，以人才培养目标、毕业要求和课程要求三个维度对学生开展考察，实现赋分模型的合理性和有效性，培养学生利用工程知识解决实际问题等多方面的能力；评价体系立足于实验步骤和教学，通过目标形成性评价、过程性评价，通过设置横向和纵向区分度，一人一题，构建综合多重赋分模型，逐步达成培养目标。评价体系和赋分逻辑示意图如下：