量子信息教育進(jìn)展研究

賀 晨，劉 娟，董洋瑞，劉維琪，彭進(jìn)業(yè)

(西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127)

0 引 言

量子信息是出現(xiàn)在傳統(tǒng)信息科學(xué)和量子物理學(xué)十字路口的一門新興學(xué)科，其知識(shí)體系涵蓋量子力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信工程和密碼學(xué)等多個(gè)學(xué)科。目前的研究方向主要包括量子保密通信、量子計(jì)算和量子測量等。量子保密通信主要利用量子的疊加和糾纏兩大特性對信息進(jìn)行加密傳輸，由量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理和不可克隆原理提供通信過程中對竊聽和攻擊的天然防御，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩個(gè)具體方向；量子計(jì)算具有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，能夠?qū)Ξ?dāng)前最優(yōu)的經(jīng)典算法提供驚人的指數(shù)加速或二次加速，為眾多需要大規(guī)模復(fù)雜計(jì)算的領(lǐng)域提供了解決方案；量子精密測量基于量子態(tài)對環(huán)境高度敏感的特性，有著極富前景的應(yīng)用，例如精確計(jì)時(shí)、水下定位、引力波探測、高分辨率檢測等，如何利用量子資源突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限測量精度是這一領(lǐng)域當(dāng)前的關(guān)鍵問題。

目前，國內(nèi)外量子信息技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)也逐漸成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)之一。國際各大科技巨頭，例如谷歌、IBM和微軟等公司正在進(jìn)行一場關(guān)于量子計(jì)算的競賽；不少高校、科研機(jī)構(gòu)也在積極參與量子計(jì)算的研究當(dāng)中；世界多國政府也在大力推動(dòng)量子科技的發(fā)展。美國是最早也是最積極進(jìn)行量子科技發(fā)展的國家之一。2019年，美國政府發(fā)布了未來工業(yè)發(fā)展計(jì)劃，將量子信息技術(shù)和其他四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)作為未來技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的“基礎(chǔ)設(shè)施”。與此同時(shí)，英國、德國和荷蘭等歐洲國家也相繼頒布量子領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃。日本韓國相對起步較晚，但基于本身的技術(shù)積累，同樣在量子信息領(lǐng)域發(fā)展迅猛[1]。中國同樣高度重視量子信息科技的發(fā)展與布局。黨的十九大報(bào)告中指出，“墨子、大飛機(jī)等重大科技成果相繼問世”，僅近8年來，量子信息相關(guān)成果就3次獲得國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)[2]，在2021年最新提出的中國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃中，也分別指出要加強(qiáng)量子信息等原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)，以及前瞻謀劃量子信息等未來產(chǎn)業(yè)。除了國家層面，北京、上海、合肥、濟(jì)南等地也圍繞量子科技產(chǎn)業(yè)助力發(fā)展。百度、阿里巴巴、騰訊等國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)巨頭及華為、中興等科技公司也多方面積極加大布局，為發(fā)展量子科技開辟“國家隊(duì)”以外的新路徑[3]。

量子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，自然而然催生出了對相應(yīng)人才的迫切需求。據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》統(tǒng)計(jì)，全球只有1 000名左右研究人員認(rèn)為自己了解此項(xiàng)技術(shù)。而在量子計(jì)算領(lǐng)域，國際競爭日益激烈，通用量子計(jì)算機(jī)一旦問世，理論上講就能破解全球各國政府和公司保護(hù)內(nèi)部敏感信息的加密措施[4]，人才短缺問題將上升到國家安全層面。

歐盟于2018年正式啟動(dòng)總經(jīng)費(fèi)高達(dá)10億歐元的量子技術(shù)旗艦計(jì)劃[5]。2020年3月，量子技術(shù)旗艦計(jì)劃成員向歐洲委員會(huì)正式提交了戰(zhàn)略研究議程(SRA)文件，其中提出，為了量子技術(shù)長期地可持續(xù)發(fā)展，必須有歐洲量子教育的大力支持，提倡全歐推廣覆蓋高中教育、大學(xué)教育和產(chǎn)業(yè)工人培訓(xùn)的量子教育項(xiàng)目[6]。2019年《美國國家量子計(jì)劃法案》頒布，授權(quán)在未來5～10年內(nèi)投資12億美元，從標(biāo)準(zhǔn)制定、資金投入、機(jī)構(gòu)設(shè)置等方面采取措施，以推動(dòng)基礎(chǔ)研究、技術(shù)應(yīng)用和人才培養(yǎng)。

據(jù)《量子計(jì)算報(bào)告》，目前全球僅有91所大學(xué)從事量子計(jì)算活動(dòng)，且都沒有提供量子計(jì)算專業(yè)學(xué)位，只設(shè)置了相關(guān)選修課程[7]。毋庸置疑，各大高校是供應(yīng)量子信息人才的中堅(jiān)力量。量子信息的人才缺口，向國內(nèi)外各高校以及教育平臺(tái)提出了加速培養(yǎng)專業(yè)人才的重大挑戰(zhàn)。該文針對量子信息教學(xué)目前的進(jìn)展做了詳細(xì)的分析與總結(jié)。

1 課堂教學(xué)體系

1.1 實(shí)例具體化

傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)主要以力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)等經(jīng)典物理為主要內(nèi)容，而造就現(xiàn)代人類科學(xué)技術(shù)輝煌的量子理論和量子技術(shù)等現(xiàn)代物理內(nèi)容較少。在新時(shí)代新工科教育建設(shè)的大背景下，2019年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張子靜等人[8]提出了“新時(shí)代新工科大學(xué)物理教學(xué)體系”改革，在原本傳統(tǒng)的大學(xué)物理課程中加入量子通信等前沿技術(shù)，使得大學(xué)物理教學(xué)更加貼近現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展。因?yàn)榇髮W(xué)物理一般作為工科專業(yè)本科生的基礎(chǔ)課程，作者認(rèn)為教學(xué)方法應(yīng)當(dāng)更注重基本概念和主要的工作原理，放棄復(fù)雜的計(jì)算和推導(dǎo)，通過具體的例子形象地講解量子通信的過程。

量子信息科學(xué)作為一門交叉學(xué)科，其基礎(chǔ)知識(shí)涵蓋量子力學(xué)、信息科學(xué)、代數(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，學(xué)習(xí)門檻較高，學(xué)生理解有一定的困難。對此，許多學(xué)者提到在課堂中通過實(shí)例去解釋量子系統(tǒng)的思想，將抽象的內(nèi)容更形象化。

2011年，西安電子科技大學(xué)的李陽陽教授等人[9]曾在探討量子計(jì)算智能教學(xué)時(shí)提出，將教學(xué)內(nèi)容劃分為理論型和實(shí)踐型，對于理論型內(nèi)容，應(yīng)當(dāng)以具體實(shí)例引導(dǎo)教學(xué)，讓量子計(jì)算更形象化；對于實(shí)踐型內(nèi)容，則強(qiáng)調(diào)實(shí)際操作，授課內(nèi)容貼近本學(xué)科的熱點(diǎn)問題和技術(shù)前沿。將理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和實(shí)踐能力。文獻(xiàn)[10]中同樣提到了實(shí)例具體化的觀點(diǎn)，作者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，量子信息領(lǐng)域的論文和專著等對于概念和原理的描述較為抽象，更適合具有良好數(shù)學(xué)物理背景的人閱讀。他認(rèn)為對于一些晦澀難懂的物理量或是狄拉克符號(hào)，可以用具體的數(shù)字舉例表示；對于量子通信中的各個(gè)協(xié)議，則可以用一些具體的量子態(tài)為例演示整個(gè)協(xié)議的過程。多在教學(xué)過程中加入一些通俗易懂的例子或例題，能夠幫助學(xué)生更好地理解量子信息的基本知識(shí)，降低學(xué)習(xí)難度。

1.2 動(dòng)覺活動(dòng)

源自戲劇的角色扮演越來越多地出現(xiàn)在了科學(xué)技術(shù)專業(yè)的教學(xué)中[11]，并且已經(jīng)有一些文獻(xiàn)[12-14]具體說明了動(dòng)覺活動(dòng)(Kinesthetic Activities)在物理教學(xué)中的不同應(yīng)用。動(dòng)覺活動(dòng)教學(xué)被定義為“任何使學(xué)生切實(shí)參與學(xué)習(xí)過程的活動(dòng)”，通常是基于課堂的簡短活動(dòng)，可能只涉及少數(shù)學(xué)生(例如對部分學(xué)生進(jìn)行排序)，也可能是每個(gè)人(例如要求整個(gè)班級(jí)鏈接為一棵人類二叉樹)。這一教學(xué)方式提供了對物理概念的直接說明，可以讓學(xué)生更容易創(chuàng)建有助于理解的意象圖式，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣。

2019年，奧地利學(xué)者López-Incera提出基于動(dòng)覺活動(dòng)的教學(xué)方法[15-16]，讓學(xué)生以做游戲的方式去模擬量子系統(tǒng)演變的過程，通過一個(gè)量子比特說明量子力學(xué)的一些基本原理，從而讓學(xué)生更深刻地理解教學(xué)內(nèi)容。在量子信息和量子力學(xué)等領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)通常較為復(fù)雜，且往往在需要昂貴設(shè)備和工具的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，而這樣一種基于游戲的教學(xué)方式，在省去實(shí)際實(shí)驗(yàn)中過高的經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)，學(xué)生可以得到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室同樣的結(jié)果。學(xué)生們在這個(gè)游戲中可以親身體驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)量子世界中一些抽象的特性。游戲規(guī)定，由學(xué)生們分別扮演粒子和科研人員的角色?！傲Ｗ印备鶕?jù)既定規(guī)則去進(jìn)行表演，量子態(tài)由站立的方向表示；“科研人員”則負(fù)責(zé)觀察“粒子”的表現(xiàn)，進(jìn)一步收集和分析觀察得到的數(shù)據(jù)，最后揭示出量子力學(xué)的基本規(guī)則和性質(zhì)。圖1為量子密鑰分配的BB84協(xié)議中，四個(gè)偏振態(tài)的表示規(guī)則。

此外，美國杜肯大學(xué)的Corcovilo則以兩級(jí)系統(tǒng)中量子投影測量的規(guī)則為基礎(chǔ)，提出[17]用一個(gè)競爭性的雙人游戲去模擬量子投影測量的教學(xué)方法。游戲目標(biāo)是使用最少的測量次數(shù)，猜測從給定集合中秘密選擇的量子態(tài)。如圖2，利用Bloch球體描述單量子比特的狀態(tài)，由單位實(shí)向量S表示。測量結(jié)果的Bloch向量形式如圖3所示，當(dāng)測量方向?yàn)閙時(shí)，測量結(jié)果與S和m之間的角度以及S在m上的投影有關(guān)。量子測量的隨機(jī)性通過20面的骰子或是其他經(jīng)典的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(RNG)模擬。骰子通常用于演示統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)中的隨機(jī)過程。這里使用骰子可以使學(xué)生積極參與產(chǎn)生量子數(shù)據(jù)的過程，而不是依靠看不見的計(jì)算機(jī)代碼來完成這一功能，并且，骰子也會(huì)減慢這個(gè)過程，給學(xué)生時(shí)間思考，并強(qiáng)調(diào)單次量子測量的重要性。相較于狄拉克旋量表示法，Corcovilo選擇了Bloch向量形式是由于它的幾何聯(lián)系，且對于初學(xué)者來說更習(xí)慣向量形式。而自旋量是量子力學(xué)的專業(yè)描述，它可以直接擴(kuò)展到具有兩個(gè)以上基態(tài)的系統(tǒng)，此項(xiàng)游戲中模擬的測量結(jié)果同樣可以使用狄拉克旋量符號(hào)來描述。

1.3 教學(xué)模式

當(dāng)前，量子信息教學(xué)模式中同樣存在一些問題。其一，由于量子信息的交叉學(xué)科性質(zhì)及其未在高校設(shè)置專門學(xué)科專業(yè)的原因，時(shí)常出現(xiàn)教師與學(xué)生本身專業(yè)背景不同的情況，導(dǎo)致師生之間難以找到契合點(diǎn)。其二，量子信息作為新興學(xué)科，缺少成熟規(guī)范的教學(xué)體系。在這樣的背景下，高校教育工作者們對教學(xué)模式、方法等內(nèi)容提出了許多新的想法。

2020年，黑龍江大學(xué)的張可佳等人[18]探討了一些具體的教學(xué)策略。他們認(rèn)為課堂中可以當(dāng)場提出一些問題，師生解答，從而提高學(xué)生的課堂參與度，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題；也可以將科研問題帶進(jìn)課堂，讓學(xué)生提前適應(yīng)科研學(xué)習(xí)節(jié)奏，早日找到方向和切入點(diǎn)；課后，針對每個(gè)學(xué)生的特點(diǎn)分配不同任務(wù)，向老師單獨(dú)反饋，讓學(xué)生科研更加高效，避免個(gè)別學(xué)生在集體匯報(bào)中混水摸魚的情況。2018年，長春理工大學(xué)的王曉茜等人[19]針對本校的《量子信息物理》課程，從教學(xué)內(nèi)容、方法和考核三個(gè)方面做出了分析和總結(jié)，提出了板書、多媒體、科普視頻三者結(jié)合，再加以專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法。在授課中用板書和多媒體授課，適當(dāng)加入一些科普視頻，具有趣味性，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開闊學(xué)生的視野，另外結(jié)合專業(yè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的理論部分則在課堂講授。他們還提出了豐富的課程考核內(nèi)容和方式。對于期末考核，可以適當(dāng)加大自主學(xué)習(xí)內(nèi)容的卷面分值，避免這部分內(nèi)容只在平時(shí)成績中體現(xiàn)，從而學(xué)生不夠重視的情況發(fā)生。此外，為了讓學(xué)生更好吸收單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，他們提出讓學(xué)生分成小組，分別對某一專題進(jìn)行討論學(xué)習(xí)并且設(shè)計(jì)相關(guān)問題，最終將討論結(jié)果以PPT形式講解，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2 教學(xué)輔助工具

傳統(tǒng)教學(xué)方式主要依靠教師在課堂上的講授，隨著新時(shí)代新技術(shù)層出不窮，教學(xué)手段也逐漸向著新的方向發(fā)展。目前，選擇使用相關(guān)工具去輔助教學(xué)的高校教師越來越多，面向社會(huì)大眾的教學(xué)平臺(tái)也接踵而至。作為新興學(xué)科的代表之一，量子信息教學(xué)領(lǐng)域同樣表現(xiàn)出這樣的趨勢。目前，國內(nèi)外量子信息教育工具主要有教學(xué)仿真平臺(tái)、在線教程、嚴(yán)肅游戲(教學(xué)游戲)等類型。

2.1 教學(xué)仿真平臺(tái)

隨著仿真技術(shù)的迅速發(fā)展以及仿真軟件的普及，利用計(jì)算機(jī)模擬平臺(tái)來輔助教學(xué)的優(yōu)勢日益顯著，它改變了信息科學(xué)傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)模式，大大推動(dòng)了教育水平的發(fā)展。目前量子信息有多種實(shí)驗(yàn)體系，但大多成本很高，無法實(shí)際部署供高校大量學(xué)生進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)量子通信過程中存在許多不理想的因素，導(dǎo)致傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中存在很多問題，包括理論脫離實(shí)際、缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)、教學(xué)方法單一、教學(xué)氣氛沉悶等?？紤]到量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的抽象復(fù)雜、枯燥乏味，且無法提供足夠的實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境的特點(diǎn)，用仿真軟件模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境就成為了非常適合輔助教學(xué)的一種策略。

2015年，波蘭AGH科技大學(xué)的幾位學(xué)者提出了一個(gè)基于量子集成開發(fā)環(huán)境QuIDE的課程概念[20]，其思想是將理論知識(shí)與在QuIDE模擬器[21]上進(jìn)行的實(shí)踐課程相結(jié)合，課程內(nèi)容包含量子門、量子比特和一系列諸如Deutsch和Bernstein-Vazirani問題、Grover搜索、Shor素因數(shù)分解、量子隱形傳態(tài)和量子密集編碼等算法。由于彼時(shí)IBM等各大量子科技巨頭的模擬量子計(jì)算平臺(tái)還未公布，并沒有既符合教學(xué)要求又可以提供圖形用戶界面的模擬軟件可供使用，因此他們開發(fā)了這一基于GUI的QuIDE模擬器。該軟件提供了代碼編輯和圖形化構(gòu)建電路兩種方式，兼具靈活性和操作方便性。

作為目前最熱門的可連接真實(shí)量子計(jì)算物理機(jī)的量子計(jì)算平臺(tái)之一，IBM模擬量子計(jì)算平臺(tái)IBM Quantum Experience(IBM QX)具有優(yōu)良的用戶體驗(yàn)、功能豐富的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)K以及強(qiáng)大的量子計(jì)算模擬機(jī)和物理機(jī)，除廣大量子計(jì)算愛好者之外，IBM QX同樣受到許多高校教師的青睞。文獻(xiàn)[22]介紹了美國佩斯大學(xué)研究生量子計(jì)算課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，該課程涵蓋量子計(jì)算電路、量子算法、量子計(jì)算的數(shù)學(xué)模型、量子糾錯(cuò)和量子密碼學(xué)等領(lǐng)域，包括理論部分和基于IBM QX平臺(tái)的項(xiàng)目實(shí)踐部分。在此實(shí)踐課程中，學(xué)生需要使用量子計(jì)算匯編語言(QASM)和Python開發(fā)項(xiàng)目，包括量子計(jì)算基本實(shí)驗(yàn)、算法優(yōu)化、解決實(shí)際問題等主題，最后運(yùn)行在IBM QX的模擬器或?qū)嶋H物理機(jī)上。

同樣采取IBM QX平臺(tái)作為教輔工具的還有西班牙馬德里的Carrascal等人?？紤]到?jīng)]有物理學(xué)背景的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生去學(xué)習(xí)量子計(jì)算課程，他們提出的教學(xué)方法是借助經(jīng)典面向?qū)ο缶幊毯唵蔚啬M量子系統(tǒng)，以此讓學(xué)生深刻理解量子計(jì)算的基本概念，然后讓學(xué)生在IBM QX平臺(tái)上構(gòu)建和測試量子電路，課程最后還可以視具體學(xué)習(xí)情況講解量子隱形傳態(tài)、量子相位估計(jì)、Grover和Shor等重要量子算法[23]。關(guān)于模擬平臺(tái)的選擇，他們對多個(gè)現(xiàn)有的量子編程環(huán)境進(jìn)行了定性和定量分析，包括Qiskit、Cirq、PyQuil、Q#和ProjectQ，最終結(jié)果表明IBM QX平臺(tái)更適合于教學(xué)應(yīng)用。學(xué)生可以先在IBM Composer上實(shí)踐測試電路，然后利用其基于Python的量子編程環(huán)境Qiskit構(gòu)建量子電路，一步步深化理解量子計(jì)算。

除上述主要用于量子計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)的仿真平臺(tái)外，還有一些專業(yè)人員、高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)則在積極投入量子通信實(shí)驗(yàn)的教學(xué)仿真軟件開發(fā)。

在新工科教學(xué)思想的指導(dǎo)下，部分高校已經(jīng)將量子信息課程內(nèi)容滲透到工科專業(yè)的本科生中。2019年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳巍教授等人提出[24]將本來比較偏向于理論的量子信息，改變得更適合工科專業(yè)的學(xué)生去學(xué)習(xí)，注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在課程實(shí)驗(yàn)部分采取了虛實(shí)結(jié)合的方法來解決教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源短缺的問題，盡可能在教學(xué)效果和教學(xué)成本之間取得平衡。對于量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生基于熟悉的C語言、Matlab和Python等工具編寫仿真程序，再對密鑰率等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，加深對協(xié)議的理解，同時(shí)通過調(diào)整仿真模型的系統(tǒng)參數(shù)，理解實(shí)際系統(tǒng)和理論模型之間的區(qū)別與聯(lián)系。針對糾纏、疊加和測量等物理特性豐富但設(shè)備昂貴的實(shí)驗(yàn)，作者嘗試校企結(jié)合，開發(fā)了3D虛擬仿真軟件，盡可能貼近真實(shí)器件，讓學(xué)生有實(shí)際操作量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)感。

此外，英國圣安德魯斯大學(xué)的Kohnle等人開發(fā)了一個(gè)名為QuVis的量子力學(xué)可視化項(xiàng)目[25-26]，旨在為量子力學(xué)的學(xué)習(xí)和教學(xué)開發(fā)交互式模擬系統(tǒng)。作為QuVis項(xiàng)目的一部分，Kohnle等人于2017年開發(fā)了一套針對量子密碼學(xué)的仿真系統(tǒng)[27]，使用三種不同的協(xié)議演示了量子密鑰分發(fā)的基本原理，并使用偏振單光子或自旋1/2粒子作為量子比特的物理實(shí)現(xiàn)。美中不足的是，此類模擬僅在于演示QKD的基本原理，從而顯示的只是理想情況，若要更貼近實(shí)際實(shí)驗(yàn)，則需要進(jìn)一步考慮光源或器件的不完美。

2.2 在線教程

作為上述美國佩斯大學(xué)量子計(jì)算課程的學(xué)生，Westfall等人分享了學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)并提出一個(gè)教學(xué)方案。文獻(xiàn)[28]中，他們提出用抽認(rèn)卡(flashcard)[29]記憶關(guān)鍵概念加上交互式在線課程的教學(xué)方案。該抽認(rèn)卡使用對時(shí)間敏感的算法幫助學(xué)生記憶一些基本概念，從而更好更快地理解量子計(jì)算。文獻(xiàn)[30]中則介紹了教學(xué)方案中的交互式教程部分，該教程包含了量子位、疊加、糾纏、Shor算法、Grover算法以及它們?nèi)绾问褂昧孔佑?jì)算協(xié)同工作等五個(gè)主題的視頻課程和測試部分。作者認(rèn)為，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算提供更快的計(jì)算速度和更好的結(jié)果，其基本基礎(chǔ)是量子力學(xué)，但并不需要完全掌握量子力學(xué)或物理學(xué)即可在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編程，對于量子計(jì)算機(jī)程序員來說，理解亞原子和原子世界的一小部分特性足以。為了學(xué)習(xí)的高效性，此教程最大程度地精簡背景知識(shí)介紹，忽略Grover和Shor算法的提出時(shí)間等內(nèi)容，這樣，先導(dǎo)課程只約為一個(gè)小時(shí)，從而避免學(xué)生因?yàn)檫^多枯燥復(fù)雜的內(nèi)容失去興趣的情況發(fā)生。該項(xiàng)目部署在更偏向于教育性質(zhì)的Udemy平臺(tái)，當(dāng)學(xué)生每完成一個(gè)模塊的學(xué)習(xí)，即可得到由10個(gè)簡短問題組成的測試內(nèi)容。

同樣致力于量子領(lǐng)域交互式在線教程開發(fā)的還有美國學(xué)者Singh等人，他們從2006年起就一直以學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的困難研究為指導(dǎo)，致力于開發(fā)一套量子交互式學(xué)習(xí)教程(QuILT)。此教程使用基于詢問的學(xué)習(xí)方法，向?qū)W生詢問一系列指導(dǎo)性問題，努力彌補(bǔ)學(xué)習(xí)量子力學(xué)過程中定量和定性之間的差異。教師可以將QuILT用作課堂教學(xué)工具或作為課后作業(yè)。文獻(xiàn)[31]介紹了QuILT中量子密鑰分發(fā)的部分，即QKD QuILT。學(xué)生在此教程中首先了解基本的背景知識(shí)，然后學(xué)習(xí)一些具有理論安全性或?qū)嶋H安全性的QKD協(xié)議，其中還包含測試部分，學(xué)生在傳統(tǒng)性地學(xué)習(xí)基本概念之后，可依次進(jìn)行預(yù)測試、后測試、延后測試等。

2.3 嚴(yán)肅游戲

嚴(yán)肅游戲(Serious Game)屬于電子競技游戲，De Freitas將其描述為以教育為主要目標(biāo)的游戲[32]，具體指以教授知識(shí)技巧、提供專業(yè)訓(xùn)練和模擬為主要內(nèi)容的游戲，目前已廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)學(xué)、科研、培訓(xùn)、軍事、工業(yè)等諸多領(lǐng)域。這種基于嚴(yán)肅游戲的教學(xué)方法通過設(shè)計(jì)和分析模擬游戲以支持正式的教育或培訓(xùn)，確保學(xué)生學(xué)習(xí)樂趣和動(dòng)機(jī)，凸顯教育價(jià)值。

美國的Parakh等人在2017年提出了[33]一個(gè)基于項(xiàng)目的游戲化教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，開發(fā)出一款名為QuaSim的量子密碼學(xué)游戲，將傳統(tǒng)的課堂授課轉(zhuǎn)化為基于軟件項(xiàng)目的虛擬環(huán)境，以此來交互式地教授學(xué)生課程內(nèi)容。此游戲模仿現(xiàn)實(shí)世界，將學(xué)生直接置于通過計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，提供多種角色以及多種學(xué)習(xí)模式，引導(dǎo)學(xué)生去解決系統(tǒng)設(shè)定的一些實(shí)際通信問題。在問題解決環(huán)節(jié)，系統(tǒng)支持團(tuán)隊(duì)競賽，最終可能會(huì)產(chǎn)生最優(yōu)或次優(yōu)解，在某些情況下也無法找到解決方案。玩家進(jìn)入游戲之后，初始界面有神諭、偏振、疊加、測量四個(gè)選項(xiàng)可供選擇，若點(diǎn)擊“神諭”，系統(tǒng)將根據(jù)玩家以前在游戲中的成就和所選擇的角色，引導(dǎo)玩家朝著合適的方向前進(jìn)，而選擇偏振、疊加和測量三者之一將會(huì)傳送到對應(yīng)的學(xué)習(xí)模塊中。游戲以玩家的第一視角用射擊類游戲的形式，設(shè)計(jì)用于學(xué)習(xí)和理解量子密碼學(xué)內(nèi)容的各個(gè)關(guān)卡，畫面精美、內(nèi)容豐富，確保了學(xué)習(xí)的趣味性。

作為量子巨頭之一的IBM則在2018年推出了世界上第一個(gè)開源的量子計(jì)算棋盤游戲Entanglion[34]，它是一個(gè)兩量子比特的雙人模擬游戲，向玩家介紹了量子比特、量子態(tài)、量子門、疊加、糾纏、測量和誤差等概念，以及構(gòu)建真正的量子計(jì)算機(jī)所涉及的各種軟硬件。它以一種輕松、獨(dú)特的方式傳達(dá)了復(fù)雜的技術(shù)概念，在游戲評(píng)估階段即受到測試人員的廣泛歡迎。

3 結(jié)束語

在當(dāng)前新工科的教育思想指引下，需要各教育工作者勇于打破傳統(tǒng)教學(xué)理念、推陳出新、善用教學(xué)工具增加學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性。量子信息作為新興學(xué)科，在高校中仍屬于物理學(xué)、網(wǎng)絡(luò)安全、密碼學(xué)或是計(jì)算機(jī)等專業(yè)的課程內(nèi)容之一，還未單獨(dú)成立專業(yè)學(xué)科。而隨著量子技術(shù)日益發(fā)展，未來的人才需求會(huì)與日俱增。為良好應(yīng)對人才缺口，各高校需要完善量子信息教學(xué)體系，加強(qiáng)量子技術(shù)人才輸出。

可以看到，許多教學(xué)人員、研究人員和企業(yè)都在致力于發(fā)展量子信息的教育事業(yè)。無論是以教師講授為主的課堂教學(xué)模式的革新，亦或是借助在線教程、模擬平臺(tái)、嚴(yán)肅游戲等輔助教學(xué)工具，相較于傳統(tǒng)一成不變的教學(xué)方式，都有著不錯(cuò)的提升效果。未來的工作中，依舊需要更多課堂教學(xué)方式、教材選擇、考核方式等多方面的教學(xué)體系改革提升；在教輔工具方面，也依舊需要更多能吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、針對不同專業(yè)學(xué)生背景精簡課程內(nèi)容、教學(xué)效果良好的在線課程；更多用戶體驗(yàn)感良好、性能優(yōu)秀、更貼近實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬仿真系統(tǒng)；更多趣味性強(qiáng)、界面優(yōu)美、能讓學(xué)生深刻記憶課程概念的教學(xué)游戲。