从0和1到量子位:教量子计算

“有了量子计算，技术真的迎来了它的下一次复兴。因此，现在是重新思考量子教育的好时机，”物理学和天文学助理教授詹姆斯•惠特菲尔德(James Whitfield)表示。

量子计算的基础是发现粒子可以同时以多种状态存在——它们的值可以是1或0，也可以是0或两者都有。它需要在思维和计算上有一个戏剧性的转变，从一个数字计算的二元宇宙到量子比特的物理世界。量子比特可以以更快的速度处理大量的数据。IBM、英特尔、微软、谷歌和其他公司已经在量子模拟方面投入了大量资金，以确定成本和收益。

惠特菲尔德表示:“这将是未来几十年技术劳动力的一次巨大爆炸。”

他说，现在建立这种能力还为时不早。惠特菲尔德与物理与天文系、塞耶工程学院(Thayer School of Engineering)和达利实验室(DALI Lab)的本科生和研究生一道，正在开发新的教学工具，旨在揭开量子力学和计算的神秘面纱，不仅是在大学里，在高中也是如此。达利实验室为惠特菲尔德的团队提供了1万美元的软件开发经费。

“我们得到了包括国家科学基金会在内的主要资助者的资助，政府对传播这些知识很感兴趣。因此，我们正在我们自己的社区进行推广，”惠特菲尔德说。

让量子计算上路

为了测试他们基于云计算的学习平台qBraid, Whitfield的团队今年冬天花了两周时间在汉诺威高中一个由Kevin Lavigne教授的高级科学课上进行了教学计划的试点。

物理学和天文学助理教授詹姆斯·惠特菲尔德(James Whitfield)向汉诺威高中(Hanover High School)的高年级学生解释了量子计算。

James Whitfield, an assistant professor of physics and astronomy, explains quantum computing to seniors at Hanover High School. (Photo by Eli Burakian ’00)

“量子计算很迷人，因为它就在边缘，”艾薇儿在学生们围着一张大桌子坐下之前说。“它抓住了人们的想法。但我也在教授一种以不同的方式思考解决问题的方法。它不是关于如何处理二元系统。这就是如何考虑同时出现在两个地方的粒子，以及它有多强大。这是从不同的角度来看待问题。”

拉维尼说，他的学生们正在汲取达特茅斯教学团队的新知识。“这是赋予他们。只上了一周的课，他们就开始感到与研究生和大学教授有了一对一的交流。”

一天下午，来自达特茅斯的客座教师卡纳夫·塞蒂亚(Kanav Setia)是瓜里尼的20岁学生，她与惠特菲尔德的工作关系密切。在活泼与学生谈话,他填补了白板和数学公式用于修饰或说明一个棘手的问题:如果你有一个框,可能会或可能不会包含一个光敏火箭,量子计算如何确定是否有,事实上,火箭在里面,没有打开盒子,火箭吗?

“现在，量子力学和量子计算是非常反直觉的，对吧?所以你需要想出新奇的方法来教它。”

在塞蒂亚回答学生的试探性问题时，在一旁观看的是达利实验室qBraid软件开发人员Trevor Glasgow ’20，以及Neukom计算科学研究所副主任兼主任Dan Rockmore教授。

罗克莫尔说:“现在的高中生通常比人们认为的更有能力。”“汉诺威高中的孩子们真的很渴望学习。他们中最优秀的人真的只是像海绵一样吸收它。就我们的师资而言，我们学院有这样的资源;他们热爱教学，也喜欢求知若渴的学生。”

洛克摩尔说，对下一代科学家来说，量子是一个热门话题。

“把‘quantum’放在任何东西前面，听起来就很酷。多年来，它就像一个令人困惑的梦，但现在它就要发生了，告诉这些高中生，他们可以理解这是一个礼物，老实说，对他们来说。”

在新的领域

课后，三个学生，都是高年级学生，反思他们这一周学了些什么。

“我以前学过一点量子力学，但是深入研究它就太奇怪了，”正在考虑从事电子工程的Jackson Tolliday说。“它不符合我以前接触过的任何逻辑。它打破了我们所知道的一切，至少我知道，关于物理和事物如何运作。它真的很有趣。”

他的朋友、打算学习计算机工程的鲁迪克·史密斯(Ruddick Smith)说:“如果有人带着一些基本正确的东西接近你，但从根本上违背了你被教导要相信的一切，我认为，想要更深入地调查是人类的天性。”  

奥利维亚•西蒙(Olivia Simon)预测，进一步的调查，无论多么具有挑战性，都有可能取得成功。她说:“我们的老师相信，在某种程度上，量子计算机将进入每个人的家庭。”“学会利用它是未来的好工具。”

可以通过[email protected]联系到Charlotte Albright。