中學(xué)開量子課，學(xué)生能懂嗎

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(jí)中學(xué)（以下簡稱“省錫中”）持續(xù)探索學(xué)校教育、社會(huì)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(dòng)了基于金剛石量子計(jì)算教學(xué)機(jī)的中小學(xué)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)課程研發(fā)項(xiàng)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(jì)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(jì)算課

為了將量子計(jì)算這項(xiàng)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(shí)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(jì)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)?！毙斓鼗Π朐抡?dòng)浾弑硎荆_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(jì)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?！坝懈傎惙较虻膶W(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(gè)課時(shí)，開始幾節(jié)課試上，學(xué)生可以再調(diào)整?！毙斓鼗⒄f。

量子計(jì)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(shí)和計(jì)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(jì)算原理去處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

一次，學(xué)生們在量子計(jì)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?dòng)浾?，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)?！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(shí)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(duì)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(jì)算課外，還有光學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新課、計(jì)算凝聚態(tài)研究課、能源科學(xué)與動(dòng)力工程等研創(chuàng)課程。

教學(xué)好幫手：金剛石量子計(jì)算教學(xué)機(jī)

在省錫中的量子計(jì)算課上，學(xué)生們非常喜歡動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)課，就要用到金剛石量子計(jì)算教學(xué)機(jī)。這是一臺(tái)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(jì)算功能的教學(xué)儀器。

金剛石量子計(jì)算教學(xué)機(jī) 鄭雪婧 攝

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(jì)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(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)。不僅如此，金剛石量子計(jì)算教學(xué)機(jī)豐富的硬件模塊支持學(xué)生動(dòng)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(dòng)案例，豐富了研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(jì)算設(shè)備，其團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)開拓離子阱、核磁共振等原理的量子計(jì)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(jì)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(jì)相應(yīng)的教學(xué)課程，旨在幫助學(xué)生在課堂上生動(dòng)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(jì)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(jì)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(huì)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(jì)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(jì)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(jì)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(gè)課的學(xué)生大都很優(yōu)秀，問的問題也比較刁鉆，比如會(huì)問‘電子是實(shí)物粒子，它有多大’之類的問題。這非?？简?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)?！?/p>

半月談?dòng)浾撸亨嵮╂?/p>