导读：本文作者包括匹兹堡大学物理和天文学系教授Chandralekha Singh、IBM沃特森研究中心IBM Quantum量子教育和开放科学全球负责人Abraham Asfaw以及匹兹堡大学凝聚态物理学教授和匹兹堡量子研究所所长Jeremy Levy。本文是对美国发展量子信息教育的建言献策。几十年前第一次量子革命的尖端技术发明(晶体管、激光和计算机)继续丰富我们的生活，如今围绕着利用量子现象创造第二次量子革命的新发现更加令人兴奋。量子计算机的计算速度将超过现有的经典计算机，并能执行以前无法实现的计算。量子传感器将探测地球引力场或人脑发出的微小磁场的百万分之一的变化。量子通信技术将在基本自然法则的保护下，安全地远距离传输信息。这些技术可以极大地改善社会福祉。但目前的教育体系还没有准备好满足对理解并能够教授量子信息科学技术(QIST)核心概念的员工、研究人员和教师不断增长的需求，教育正是推动量子信息科学技术进步的一个重要领域。量子物理学家和物理教育研究人员拥有设计QIST教育计划的知识和经验，可以帮助所有年龄段的学生做好参与和引领量子信息革命的准备。2020年，美国国家科学基金会(NSF)和白宫科学技术政策办公室组建了一个跨部门工作组，为未来量子信息科学学习者开发关键概念。在这个研讨会上，研究人员和教育工作者确定了QIST培训的核心概念，如量子比特、量子测量、纠缠、量子计算、通信和传感。基于这些核心概念来确定和建立教育资源将帮助K-12和大学生掌握量子知识，并加入日益增长的量子科学和工程劳动力大军。除了正规教育，将学生与研究机会、实习、人际网络和指导联系起来，对于激励和培养下一代至关重要。为了成功地做到这一点，目前的量子行业领袖和教育工作者将需要解决女性和少数族裔学生代表性不足的问题，并设计方法来吸引目前在该领域代表性不足的群体。匹兹堡大学的学生学习量子力学。拍摄：Jeremy Levy
教授QIST的一个挑战是没有通用的课程，这在很大程度上是因为这个领域是高度跨学科的，而且相对较新。在今年2月由NSF资助的一次会议上，学术界和产业界的教育工作者反映了对量子信息科学和工程学士学位、课程和教材的迫切需求。美国和欧洲的大学正在发展跨学科的学士和硕士课程。这些课程以物理系、工程学院和跨学科中心为基础。几乎所有的课程都至少有一门量子计算或信息的专门课程。这些课程可以依靠传统的教科书，比如Michael Nielsen和Isaac Chuang的《量子计算与量子信息》，N. David Mermin的《量子计算科学》，或者Benjamin Schumacher和Michael Westmoreland的《量子过程系统和信息》，还可以围绕开源的Qiskit教材或其他交互式教材来设计。(注：更多教育资源，请参见光子盒文章《史上最全量子信息教育资源汇总》，读者朋友如有更多推荐，可在文末留言。)《量子计算与量子信息》：https://www.cambridge.org/highereducation/books/quantum-computation-and-quantum-information/01E10196D0A682A6AEFFEA52D53BE9AE《量子计算科学》：https://www.cambridge.org/core/books/quantum-computer-science/66462590D10C8010017CF1D7C45708D7《量子过程系统和信息》：https://www.cambridge.org/core/books/quantum-processes-systems-and-information/4E459E64E1EE7121CA2321435FAECC8AQiskit教材：https://qiskit.org/textbook/preface.html其他教材：https://arxiv.org/abs/2012.09629量子计算和信息的课程总是被大量的辅助课程围绕着，以满足QIST高度跨学科的要求。这些课程涵盖诸如编程或计算机科学基础、线性代数或电气工程等主题。其他课程涵盖核心QIST领域之外的主题，或深入研究与材料科学、化学、药物设计、机器学习、预测、通信和传感相关的应用。实验室、实习和实践项目所需的经验水平可能取决于项目的重点。
到目前为止，对QIST相关课程、课程和教学法有效性的研究范围有限。高等教育工作者已经调查了学生在量子课程中学习困难的根本。教育工作者还开发了模块化的QIST学习工具，可以适用于本科和研究生水平的课程。其中的一个工具是名为“量子交互式学习教程(QuILT)”的课程，旨在关注学生们难以应对的主题，例如量子态的时间演化、量子测量和量子密钥分发。QuILT使用基于引导探究的学习序列，将所有概念建立在彼此的基础上。常见的概念性困难可以通过假设两个学生之间的书面对话明确地表现出来，其中一个学生理解一个概念，而另一个学生不理解。完成课程的学生通过提示的帮助，会思考哪个学生是正确的，以及为什么。每个单元从可以量化的学习目标开始，然后将教学和评估与这些目标结合起来。这些课程通常会辅以基于计算机的可视化工具。QuILT开发是迭代的：来自学生的每个实现的数据都将用于改进工具。量子交互式学习教程(QuILT)：https://www.physport.org/curricula/Quilts/ 除了在个别教师实验室或顶级课程中为学生提供内部研究经验外，高等教育工作者还应考虑与公司和国家实验室合作，给学生提供实习和交流机会。例如，量子经济发展联盟(QED-C)将学生与公司和国家实验室的全职QIST工作联系起来。这些机会可以让学生对QIST职业感到兴奋，并让他们全面了解在非学术环境中从事该领域工作的感受。学术界和产业界之间的伙伴关系也可以极大地帮助开发学位项目、讲座和课程，以平衡学术的严谨性和工作场所的实际需求。自2016年以来，IBM Quantum已将其超导量子计算机向公众开放，这种访问使得交互式QIST教育成为可能。来自世界各地的新手和专家可以使用一个免费的基于云的接口来运行硬件上的量子程序。其他硬件平台，如IonQ的离子阱量子计算机，也提供了类似的基于云的接口。IBM还发布了一个名为Qiskit的开源软件开发套件，该套件基于Python编程语言，并发布了一本开源交互式教科书，演示如何使用Qiskit在真正的量子系统上实现量子算法。通过直接设计和运行量子算法，学生可以更好地理解量子系统将给计算、传感和通信带来的好处。该教材涵盖了基本概念和最新技术，并且通过额外的资源可以适用于范围广泛的学习者。IBM建议在传统量子计算课程主题的基础上，加入实际量子系统的实践辅助材料。来源：Qiskit全球暑期学校 此外，IBM还制作了一系列视频，可以很容易地整合到课程作业中，包括一个完整学期的课程，其中包含27小时的讲座和实验，通过实践练习介绍量子信息科学概念。典型的量子计算入门课程可以通过将课程主题与活动匹配，轻松整合这些资源，如上图所示。Qiskit视频课程：https://qiskit.org/learn/intro-qc-qh/当学生学习量子入门概念时，他们可以通过Qiskit课程来验证他们对知识的理解。例如，当他们学习量子逻辑门时，他们可以应用这些门来创建一个实现简单量子算法的电路。类似地，学习量子算法的学生可以在模拟或真实量子计算机上实现它们，并了解这些算法是如何解决实际问题的。高水平的学生可以选择学习量子计算机硬件背后的物理知识，包括控制硬件操纵量子态的方法，超导电路的物理布局，在物理状态下编码量子信息的方法，以及现有硬件的局限性。 根据一项在IBM主办的2020年远程全球暑期学校后进行的调查，动手实践QIST的方法可以更深入和更快地理解量子概念。IBM的全球暑期学校拥有4000多名学生，是目前最大的量子暑期学校。教学大纲是基于IBM的教育活动和交互式在线教科书。8%的参与者是高中生，40%是本科生，30%是硕士生，22%正在攻读博士学位。这篇文章的作者之一Asfaw帮助组织了为期两周的活动，并调查了745名参与者关于他们自我报告的技能水平(见下图)，范围从0(没有QIST的经验)到10(能够进行新的QIST研究)。在暑期学校之前(图a)，最常见的答案是之前没有QIST的经验，并且分布严重倾向于技能水平为0。暑期班结束后(图b)，技能水平的分布向右移动了5个点。2020年，IBM的Qiskit全球暑期学校整合了传统的和实际操作的QIST教育材料。参与调查的学生在参加暑期学校之前和之后的自我报告技能水平平均提高了5个百分点。那些之前没有编程经验的暑期班学生(c)的分布也同样显示出5个点的变化(d)。没有编程经验的暑期学校学生也自我报告说，他们的技能水平平均提高了5个点。虽然自我报告的技能水平并不是直接衡量学习结果的标准，但这确实表明，不同教育背景的学生对学习量子概念的恐惧程度有所降低。 几十年前，只有少数专家能够接触并操作计算机。而在今天，由于先进的软件和底层半导体技术的抽象层，每个人都可以使用计算机。在第二次量子革命的当前阶段，从事该行业和开发量子计算机通常仍需要博士学位。但越来越多的“量子相关”的工作也需要量子素养。这些工作包括编程、软件开发、电子学、低温学、真空技术和算法。对于那些在量子相关领域有专业知识并对QIST感兴趣的人来说，需要通过课程来帮助他们对QIST概念(例如量子比特、叠加和纠缠)有基本的了解。俄勒冈大学的Michael Raymer已经开发了这样一门提升量子素养的课程和教科书《量子物理学：每个人都需要知道的东西》(Quantum Physics: What Everyone Needs to Know, 2017)，它适合那些对量子相关工作感兴趣的人或之前没有了解QIST概念的本科生。弗吉尼亚理工大学的Sophia Economou、Edwin Barnes和伦敦帝国理工学院的Terry Rudolph为大学生和高中生开发了一种教学方法，使用图形表示法来最大限度地减少用线性代数来解释QIST概念的需求，例如量子门，这对量子素养和量子相关工作至关重要。此外，来自芝加哥大学的Diana Franklin和Kaitlin Smith提供了从2021年1月开始的一系列edX课程。《面向所有人的量子计算导论》只需要基本的代数技能，它直观地介绍了量子物理概念，如叠加、测量和纠缠，重点关注量子操作的含义而不是细节。《面向所有人的量子计算导论》：https://www.edx.org/course/quantum-computing 尽早向学生介绍QIST概念对于激发他们对该领域主题和职业的兴趣至关重要。对于那些历史上代表性不足的群体、来自低收入家庭或父母没有上过大学的学生来说，情况尤其如此。如果没有在K-12阶段接触这些知识，这些学生可能不会在大学水平上学习与QIST技术相关的课程。加拿大安大略省滑铁卢大学的量子计算研究所一直在进行专业发展活动，并向K-12教育工作者提供材料，以帮助他们以概念性的方式向学生介绍QIST。例如，在这些课程计划中，学生通过使用廉价的偏振器分析光的偏振态来学习量子密钥分发和窃听者的影响。滑铁卢大学名为“薛定谔班”的面向高中教师的量子课程：https://uwaterloo.ca/institute-for-quantum-computing/outreach-and-workshops/schrodingers-class高等教育工作者也应该考虑与K-12教育工作者合作——作为新的Quantum for All计划或类似努力的一部分(Quantum for All部分由NSF资助，专注于支持K-12教育工作者和学生了解有趣的量子世界)——将QIST概念纳入国家K-12标准和现有的物理、化学、计算机科学或数学课程中。他们还应该考虑开发专门针对QIST概念的短期课程。Quantum for All官网：https://quantumforall.org/最近，美国物理教师协会(American Association of Physics Teachers)与IBM合作，组织专业发展研讨会，让K-12教师学习如何使用基于云的量子计算机，以便将其纳入课程。K-12教育工作者也可以使用伦敦帝国理工学院Terry Rudolph编写的Q Is for Quantum一书，这本书提供了QIST概念的图表解释，任何具有基本算术技能的人都可以使用这些概念。Quantum Atlas网站还为公众和教育工作者提供了关于量子主题的图像、动画、音频和书面解释。Q Is for Quantum：https://www.qisforquantum.org/Quantum Atlas：https://quantumatlas.umd.edu/来自历史上代表性不足群体的学生如果想成为QIST的领导者，就需要获得资源的机会。幸运的是，任何一所学校都可以通过云计算访问量子计算机。最近成立的IBM-HBCU量子中心正在与传统黑人学院和大学合作，以发展更加多样化的未来QIST劳动力，并推进量子信息科学。在最近的一次会议上，来自学术界和产业界的一个研究人员和教育工作者团队提出了一个制定量子工程教育计划的路线图，该计划将多样性、公平性和包容性放在最重要的位置。路线图“建立量子工程本科课程”：https://arxiv.org/abs/2108.01311包容和公平的教学、指导和学生支持方法也是确保公平结果的关键。例如在量子课程开始时，一个简短的生态归属干预(ecological-belonging intervention)，课堂讨论社会和学术逆境是正常的也是可以克服的，可以帮助代表性不足的学生培养更好的归属感，从而改善他们的学习成果。教育工作者、实习或研究导师、课程或研讨会导师、外联领导人或协调员应该接受包容性指导培训，以学习如何提高每个学生的归属感、自我效能感(Self-efficacy)和作为QIST优秀人才的身份认同。参考链接：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.5.20210927a/full/—End— 相关阅读：量子产业人才需求报告量子计算面临人才短缺挑战，各国如何应对？人才和资本外流，英国量子产业如何破局？量子计算的人才、软件和硬件：解开你对量子的困惑 史上最全量子信息教育资源汇总 又一量子教育云平台上线 教育部新增“量子信息科学”专业，意味着什么？ 全国首个量子信息本科班首次招生完成 美国首次将中小学量子教育写入法案 美国开启量子信息科技的全球抢人大战 #诚邀共建国内首个量子垂直招聘平台# 光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore） 你可能会错过：