中學(xué)開量子課，學(xué)生能懂嗎

雙縫干涉實驗、拉比振蕩實驗、回波實驗……這些物理專業(yè)名詞出現(xiàn)在高中課程里，令人不禁好奇：學(xué)生們能聽懂嗎？

在無錫市政府的大力支持下，江蘇省錫山高級中學(xué)（以下簡稱“省錫中”）持續(xù)探索學(xué)校教育、社會企業(yè)、高等院校和科研院所有機結(jié)合的合作育人機制，無錫量子感知研究所和國儀量子公司組織研發(fā)攻關(guān)，啟動了基于金剛石量子計算教學(xué)機的中小學(xué)量子計算實驗課程研發(fā)項目，基于“產(chǎn)學(xué)研育”一體化與省錫中開展合作。2020年底，三方共同開發(fā)“量子計算原理與實驗”課程，并配置了整套的課程資源，為學(xué)生體悟量子世界的神奇開啟一扇大門。

“燒腦”的量子計算課

為了將量子計算這項前沿科技與高中課程相融合，在課程開設(shè)之前，省錫中物理學(xué)科中心主任徐地虎博士與國儀量子專家就課程內(nèi)容、課時量等做了精心打磨，形成了高中量子教學(xué)課程的基本框架。

“上好量子計算課程關(guān)鍵要找準切入點，要和高中課程銜接好，讓學(xué)生有一定的認知基礎(chǔ)，否則高中生沒法學(xué)?！毙斓鼗Π朐抡動浾弑硎?，開設(shè)這門課程的目的是開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生今后的學(xué)科科研興趣。

徐地虎介紹，第一批選量子計算課的學(xué)生有10人，現(xiàn)在開放的名額是30人，人數(shù)主要受實驗室的限制?！坝懈傎惙较虻膶W(xué)生，也有純粹因為興趣被課程吸引的學(xué)生。這門課要搶著選，有點像大學(xué)的選課機制，30個課時，開始幾節(jié)課試上，學(xué)生可以再調(diào)整。”徐地虎說。

量子計算課程內(nèi)容包括：其一，學(xué)習(xí)什么是量子力學(xué)，了解量子力學(xué)的發(fā)展歷史和杰出人物，以及量子力學(xué)在哪些領(lǐng)域有重大應(yīng)用。其二，學(xué)習(xí)并簡單掌握一些基礎(chǔ)的線性代數(shù)知識和計算機原理，了解量子科學(xué)的前沿問題比如量子糾纏、量子加密，當然也要學(xué)習(xí)并掌握量子力學(xué)原理，但不要求太深。其三，進行一些量子力學(xué)方面的相關(guān)實驗，比如雙縫干涉實驗、拉比振蕩實驗、回波實驗等，并且掌握如何用量子計算原理去處理實驗數(shù)據(jù)。

一次，學(xué)生們在量子計算課上探討如何使光子相位相同的話題。徐地虎告訴半月談記者，大家不停地開腦洞，如加熱、加電壓、加磁場，這些想法都很好。于是，他與學(xué)生逐一探討各種可能性，然后講述當前的通用做法，同頻激發(fā)?！皩W(xué)生來講，掌握量子理論難度很大，但我希望以一種相對通俗易懂又不失科學(xué)性的方式和學(xué)生溝通。”徐地虎說。

物理學(xué)知識在諸多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，基于此，省錫中物理組教師隊伍積極開設(shè)研創(chuàng)課，課程多以實驗拓展、交叉學(xué)科應(yīng)用為主，除了量子計算課外，還有光學(xué)實驗創(chuàng)新課、計算凝聚態(tài)研究課、能源科學(xué)與動力工程等研創(chuàng)課程。

教學(xué)好幫手：金剛石量子計算教學(xué)機

在省錫中的量子計算課上，學(xué)生們非常喜歡動手的實驗課，就要用到金剛石量子計算教學(xué)機。這是一臺基于金剛石中NV色心和自旋磁共振為原理，通過控制激光、微波、磁場等物理量，對NV色心的自旋進行量子操控和讀出，從而實現(xiàn)量子計算功能的教學(xué)儀器。

金剛石量子計算教學(xué)機 鄭雪婧 攝

該儀器能在室溫大氣條件下運行，無需低溫真空環(huán)境，桌面型的設(shè)計讓它能適應(yīng)各種不同的教學(xué)環(huán)境，無論是課堂還是實驗室，都能輕松進行量子力學(xué)與量子計算實驗教學(xué)。不僅如此，金剛石量子計算教學(xué)機豐富的硬件模塊支持學(xué)生動手搭建和調(diào)試，多功能的軟件支持自定義脈沖序列編寫。

省錫中的教學(xué)實踐為量子教學(xué)設(shè)備研發(fā)提供了生動案例，豐富了研發(fā)團隊持續(xù)開拓量子教學(xué)設(shè)備的設(shè)想。

無錫量子感知研究所副所長馮澤東介紹，基于現(xiàn)有金剛石量子計算設(shè)備，其團隊將繼續(xù)開拓離子阱、核磁共振等原理的量子計算教學(xué)設(shè)備，壓縮多量子比特教學(xué)設(shè)備的成本，使量子計算教學(xué)設(shè)備可以運行更多的量子算法；引入量子精密測量類的教學(xué)設(shè)備，目前正在研發(fā)金剛石量子精密測量教學(xué)儀器，也在設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)課程，旨在幫助學(xué)生在課堂上生動理解量子精密測量更高靈敏度、更高分辨率的特點。

把創(chuàng)新人才培養(yǎng)前置到基礎(chǔ)教育中

一名參加量子計算課程的學(xué)生說：“老師的講解深入淺出，還開了書單，如《量子計算與量子信息原理》《上帝擲骰子嗎——量子物理史話》等，課余可以自己讀書研究，加深理解。這門課程讓我們有機會在高中階段就接觸前沿科技，為未來的專業(yè)選擇奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

高中教育作為銜接高等教育和義務(wù)教育的關(guān)鍵“腰部”，在為高校輸送優(yōu)才、引領(lǐng)義務(wù)教育發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。省錫中副校長王曉建表示，學(xué)校開設(shè)量子計算課，深受選課學(xué)生喜愛，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，養(yǎng)成了良好的研究習(xí)慣，拓寬了學(xué)科視野，樹立了遠大目標。這也是在為國家培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才貢獻力量。

一批選修過量子計算課程的省錫中學(xué)子，在進入大學(xué)后選擇物理作為自己的專業(yè)，并有從事物理科研的志向，現(xiàn)已在多所知名高校繼續(xù)物理相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)。

上好量子計算課對高中物理教師來說是很大的挑戰(zhàn)。徐地虎坦言：“選這個課的學(xué)生大都很優(yōu)秀，問的問題也比較刁鉆，比如會問‘電子是實物粒子，它有多大’之類的問題。這非?？简灲處熥陨淼睦碚摵徒虒W(xué)水平。當然，腦洞大不是壞事，我們老師也在不斷探索學(xué)習(xí)?！?/p>

半月談記者：鄭雪婧