建设量子技术实践课程,培育量子科技人才


过去几年是量子信息技术大发展的时期:中国发射了量子科学实验卫星,在几千公里的范围内实现了量子密钥的安全分发;谷歌公司完成了量子霸权实验,标志着量子计算在特定问题上超越了经典计算机,……。与此同时,媒体上各种有关量子概念的炒作,也是让人眼花缭乱。在这样一个量子技术大发展的节点上,作为从事量子技术研究的大学老师,我们有责任把过去几十年量子信息领域所积累的成熟的实验技术引入课堂,帮助更多的学生了解量子技术。随着量子技术的蓬勃发展,欧美多个发达国纷纷设立基金资助鼓励大学开设量子信息技术课程,国内中国科技大学和复旦大学等名牌大学也开设了量子技术实验课,促使量子技术教学实验技术迅速成熟。

2019年7月,我调入北京理工大学物理学院量子技术研究中心担任教授,当年秋开始给本科生上课。同时我也看到了谷歌量子霸权实验成功的新闻,这让我觉得给本科生开设量子技术课程刻不容缓。向量子技术研究中心葛墨林院士和赵清教授提出开设“量子技术实践课程”建议之后,这个想法得到了他们的肯定和大力支持。葛院士特别建议我们设计课程时要面向全校理工科专业的本科生,争取让更多学生都能了解新世纪以来量子技术的研究成果

与赵清教授以及量子中心的同事们交流后发现,我们能掌握的量子技术教学实验资源不少。赵清老师曾带着学生开发了单光子计数成像实验仪器,可以用于此课程。深圳有一家量旋公司,做核磁共振量子计算教学仪器开发。我跟他们沟通之后,他们愿意支持我们一台样机。量子技术中心张博老师原在中科大杜江峰院士组工作,杜院士组创办了国仪量子公司,开发了金刚石量子计算教学机。经张博与国仪量子公司的沟通,他们也愿意提供一台样机。

我们决定以这三个实验为基础开设量子技术实践课程。为与中心研究方向切合,课程被命名为《量子精密测量技术》。这是一门创新型的实践课程,由赵清,张博和我联合上课,面向全校理工科本科生。我们把教学与科研结合,精心设计一系列系列实验,将量子科技前沿呈现给学生,让本科生掌握量子信息与量子精密测量技术的理论与实验的基础知识的同时,了解最新的学术发展动态和技术前沿,并能结合本专业,产生交叉前沿新思维。

由于这是是全国大学中最早面向本科生开设的量子技术实践课程之一,我们面临建设经费匮乏,实验教学空间不足等诸多困难。通过挖掘现有的实验室空间,自筹经费,以及联系公司提供样机等手段,我们初步克服了上述困难。不过,受到实验条件的限制,我们只能把课程容量定为50人。

第一次授课时,正好赶上2020年春新冠疫情爆发,学生们无法返校做实验,但他们学习热情空前高涨,选课人数达50人(满额)。依托网络,在助教的协助下,学生们远程操作实验平台完成了绝大部分实验。到第二次授课的2021年春季学期,疫情缓解,我们终于可以让学生们到实验室现场做实验了。在六周的理论课程结束后,学生们花了六个星期,每周末来到中关村校区的量子技术研究中心,在单光子计数成像、金刚石色心、核磁共振等三个平台上完成了近十个量子精密测量相关的实验。

两年来,已有来自物理、机车、信电、光电、计算机、宇航等多个学院90余位学生选修了此课程。同学们普遍认为虽然量子理论部分内容有些难,但是通过动手做实验,能对量子技术很切身直观的体会。学生的鼓励与肯定让我们对上好这门创新课程的动力更足了。从本学期开设,我们打算每个学期都开设此实践课程,本周六第一次授课。为提升教学效果,每次课程容量降为25人。这样学生们可以有更充足的时间来做实验。

为把课程建设得更好,我们积极学习党和政府的相关政策。2020年,中共中央政治局带头学习“量子科技”,习总书记发表重要讲话,认为“量子科技发展具有重大科学意义和战略价值”,并特别提到“要加快量子科技领域人才培养力度,加快培养一批量子科技领域的高精尖人才,建立适应量子科技发展的专门培养计划”。2020年教育部发布《未来技术学院建设指南(试行)》,其中特别提到要 “强化现代信息技术与教育教学深度融合,探索混合现实、量子计算等新技术、新工具、新标准在教学中的深度应用“。

通过对政策的学习,我们深切体会到《量子精密测量技术》课程完全切合国家在量子技术方面的战略需求。遵照习总书记重要讲话要求,根据授课体验与学生反馈,我们打算将课程拆分为《量子精密测量技术理论》和《量子精密测量实践》两门课,逐步完善量子技术课程体系,为我国量子科技领域人才培养贡献自己的力量。我们将不断完善课程内容,积极争取经费扩充实验设备,让更多学生有机会在量子技术实践课程中有更多收获。