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      鄭州華晶金剛石股份有限公司

      中學(xué)開量子課,學(xué)生能懂嗎

      關(guān)鍵詞 量子課|2024-07-23 11:53:53|來源 半月談
      摘要 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、拉比振蕩實(shí)驗(yàn)、回波實(shí)驗(yàn)……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)...

             雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、拉比振蕩實(shí)驗(yàn)、回波實(shí)驗(yàn)……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(jī)結(jié)合的合作育人機(jī)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(jī)的中小學(xué)量子計算實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”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(zhǔn)切入點(diǎn),要和高中課程銜接好,讓學(xué)生有一定的認(rèn)知基礎(chǔ),否則高中生沒法學(xué)。”徐地虎對半月談記者表示,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(shí)驗(yàn)室的限制。“有競賽方向的學(xué)生,也有純粹因?yàn)榕d趣被課程吸引的學(xué)生。這門課要搶著選,有點(diǎn)像大學(xué)的選課機(jī)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(jī)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(dāng)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(jìn)行一些量子力學(xué)方面的相關(guān)實(shí)驗(yàn),比如雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、拉比振蕩實(shí)驗(yàn)、回波實(shí)驗(yàn)等,并且掌握如何用量子計算原理去處理實(shí)驗(yàn)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(dāng)前的通用做法,同頻激發(fā)。“對學(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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)

             在省錫中的量子計算課上,學(xué)生們非常喜歡動手的實(shí)驗(yàn)課,就要用到金剛石量子計算教學(xué)機(jī)。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(jìn)行量子操控和讀出,從而實(shí)現(xiàn)量子計算功能的教學(xué)儀器。

             該儀器能在室溫大氣條件下運(yùn)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(shí)驗(yàn)室,都能輕松進(jìn)行量子力學(xué)與量子計算實(shí)驗(yàn)教學(xué)。不僅如此,金剛石量子計算教學(xué)機(jī)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(shí)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(tuán)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(tuán)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(yùn)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(diǎn)。

             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(jī)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)。”

             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(yuǎn)大目標(biāo)。這也是在為國家培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才貢獻(xiàn)力量。

             一批選修過量子計算課程的省錫中學(xué)子,在進(jìn)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(shí)物粒子,它有多大’之類的問題。這非常考驗(yàn)教師自身的理論和教學(xué)水平。當(dāng)然,腦洞大不是壞事,我們老師也在不斷探索學(xué)習(xí)。”

       

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