量子信息教育進展研究

賀 晨，劉 娟，董洋瑞，劉維琪，彭進業

(西北大學 信息科學與技術學院，陜西 西安 710127)

0 引 言

量子信息是出現在傳統信息科學和量子物理學十字路口的一門新興學科，其知識體系涵蓋量子力學、計算機科學、通信工程和密碼學等多個學科。目前的研究方向主要包括量子保密通信、量子計算和量子測量等。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行加密傳輸，由量子力學的測不準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和量子密鑰分發兩個具體方向；量子計算具有強大的并行計算能力，能夠對當前最優的經典算法提供驚人的指數加速或二次加速，為眾多需要大規模復雜計算的領域提供了解決方案；量子精密測量基于量子態對環境高度敏感的特性，有著極富前景的應用，例如精確計時、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準量子極限測量精度是這一領域當前的關鍵問題。

目前，國內外量子信息技術正在蓬勃發展，量子計算機的研發也逐漸成為全球關注的熱點之一。國際各大科技巨頭，例如谷歌、IBM和微軟等公司正在進行一場關于量子計算的競賽；不少高校、科研機構也在積極參與量子計算的研究當中；世界多國政府也在大力推動量子科技的發展。美國是最早也是最積極進行量子科技發展的國家之一。2019年，美國政府發布了未來工業發展計劃，將量子信息技術和其他四項關鍵技術作為未來技術和工業發展的“基礎設施”。與此同時，英國、德國和荷蘭等歐洲國家也相繼頒布量子領域的發展規劃。日本韓國相對起步較晚，但基于本身的技術積累，同樣在量子信息領域發展迅猛[1]。中國同樣高度重視量子信息科技的發展與布局。黨的十九大報告中指出，“墨子、大飛機等重大科技成果相繼問世”，僅近8年來，量子信息相關成果就3次獲得國家自然科學一等獎[2]，在2021年最新提出的中國國民經濟和社會發展“十四五”規劃中，也分別指出要加強量子信息等原創性引領性科技攻關，以及前瞻謀劃量子信息等未來產業。除了國家層面，北京、上海、合肥、濟南等地也圍繞量子科技產業助力發展。百度、阿里巴巴、騰訊等國內互聯網巨頭及華為、中興等科技公司也多方面積極加大布局，為發展量子科技開辟“國家隊”以外的新路徑[3]。

量子信息技術的飛速發展，自然而然催生出了對相應人才的迫切需求。據《紐約時報》統計，全球只有1 000名左右研究人員認為自己了解此項技術。而在量子計算領域，國際競爭日益激烈，通用量子計算機一旦問世，理論上講就能破解全球各國政府和公司保護內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年正式啟動總經費高達10億歐元的量子技術旗艦計劃[5]。2020年3月，量子技術旗艦計劃成員向歐洲委員會正式提交了戰略研究議程(SRA)文件，其中提出，為了量子技術長期地可持續發展，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、大學教育和產業工人培訓的量子教育項目[6]。2019年《美國國家量子計劃法案》頒布，授權在未來5～10年內投資12億美元，從標準制定、資金投入、機構設置等方面采取措施，以推動基礎研究、技術應用和人才培養。

據《量子計算報告》，目前全球僅有91所大學從事量子計算活動，且都沒有提供量子計算專業學位，只設置了相關選修課程[7]。毋庸置疑，各大高校是供應量子信息人才的中堅力量。量子信息的人才缺口，向國內外各高校以及教育平臺提出了加速培養專業人才的重大挑戰。該文針對量子信息教學目前的進展做了詳細的分析與總結。

1 課堂教學體系

1.1 實例具體化

傳統的大學物理教學主要以力學、熱學、光學和電磁學等經典物理為主要內容，而造就現代人類科學技術輝煌的量子理論和量子技術等現代物理內容較少。在新時代新工科教育建設的大背景下，2019年，哈爾濱工業大學的張子靜等人[8]提出了“新時代新工科大學物理教學體系”改革，在原本傳統的大學物理課程中加入量子通信等前沿技術，使得大學物理教學更加貼近現代技術發展。因為大學物理一般作為工科專業本科生的基礎課程，作者認為教學方法應當更注重基本概念和主要的工作原理，放棄復雜的計算和推導，通過具體的例子形象地講解量子通信的過程。

量子信息科學作為一門交叉學科，其基礎知識涵蓋量子力學、信息科學、代數等多個領域，學習門檻較高，學生理解有一定的困難。對此，許多學者提到在課堂中通過實例去解釋量子系統的思想，將抽象的內容更形象化。

2011年，西安電子科技大學的李陽陽教授等人[9]曾在探討量子計算智能教學時提出，將教學內容劃分為理論型和實踐型，對于理論型內容，應當以具體實例引導教學，讓量子計算更形象化；對于實踐型內容，則強調實際操作，授課內容貼近本學科的熱點問題和技術前沿。將理論與實踐教學相結合，進而培養學生的科研素養和實踐能力。文獻[10]中同樣提到了實例具體化的觀點，作者在教學實踐中發現，量子信息領域的論文和專著等對于概念和原理的描述較為抽象，更適合具有良好數學物理背景的人閱讀。他認為對于一些晦澀難懂的物理量或是狄拉克符號，可以用具體的數字舉例表示；對于量子通信中的各個協議，則可以用一些具體的量子態為例演示整個協議的過程。多在教學過程中加入一些通俗易懂的例子或例題，能夠幫助學生更好地理解量子信息的基本知識，降低學習難度。

1.2 動覺活動

源自戲劇的角色扮演越來越多地出現在了科學技術專業的教學中[11]，并且已經有一些文獻[12-14]具體說明了動覺活動(Kinesthetic Activities)在物理教學中的不同應用。動覺活動教學被定義為“任何使學生切實參與學習過程的活動”，通常是基于課堂的簡短活動，可能只涉及少數學生(例如對部分學生進行排序)，也可能是每個人(例如要求整個班級鏈接為一棵人類二叉樹)。這一教學方式提供了對物理概念的直接說明，可以讓學生更容易創建有助于理解的意象圖式，同時增強學生學習的動力和興趣。

2019年，奧地利學者López-Incera提出基于動覺活動的教學方法[15-16]，讓學生以做游戲的方式去模擬量子系統演變的過程，通過一個量子比特說明量子力學的一些基本原理，從而讓學生更深刻地理解教學內容。在量子信息和量子力學等領域，實驗通常較為復雜，且往往在需要昂貴設備和工具的實驗室中進行，而這樣一種基于游戲的教學方式，在省去實際實驗中過高的經濟成本的同時，學生可以得到與真實實驗室同樣的結果。學生們在這個游戲中可以親身體驗并發現量子世界中一些抽象的特性。游戲規定，由學生們分別扮演粒子和科研人員的角色。“粒子”根據既定規則去進行表演，量子態由站立的方向表示；“科研人員”則負責觀察“粒子”的表現，進一步收集和分析觀察得到的數據，最后揭示出量子力學的基本規則和性質。圖1為量子密鑰分配的BB84協議中，四個偏振態的表示規則。

此外，美國杜肯大學的Corcovilo則以兩級系統中量子投影測量的規則為基礎，提出[17]用一個競爭性的雙人游戲去模擬量子投影測量的教學方法。游戲目標是使用最少的測量次數，猜測從給定集合中秘密選擇的量子態。如圖2，利用Bloch球體描述單量子比特的狀態，由單位實向量S表示。測量結果的Bloch向量形式如圖3所示，當測量方向為m時，測量結果與S和m之間的角度以及S在m上的投影有關。量子測量的隨機性通過20面的骰子或是其他經典的隨機數發生器(RNG)模擬。骰子通常用于演示統計力學和量子力學中的隨機過程。這里使用骰子可以使學生積極參與產生量子數據的過程，而不是依靠看不見的計算機代碼來完成這一功能，并且，骰子也會減慢這個過程，給學生時間思考，并強調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系，且對于初學者來說更習慣向量形式。而自旋量是量子力學的專業描述，它可以直接擴展到具有兩個以上基態的系統，此項游戲中模擬的測量結果同樣可以使用狄拉克旋量符號來描述。

1.3 教學模式

當前，量子信息教學模式中同樣存在一些問題。其一，由于量子信息的交叉學科性質及其未在高校設置專門學科專業的原因，時常出現教師與學生本身專業背景不同的情況，導致師生之間難以找到契合點。其二，量子信息作為新興學科，缺少成熟規范的教學體系。在這樣的背景下，高校教育工作者們對教學模式、方法等內容提出了許多新的想法。

2020年，黑龍江大學的張可佳等人[18]探討了一些具體的教學策略。他們認為課堂中可以當場提出一些問題，師生解答，從而提高學生的課堂參與度，引導學生自主發現問題；也可以將科研問題帶進課堂，讓學生提前適應科研學習節奏，早日找到方向和切入點；課后，針對每個學生的特點分配不同任務，向老師單獨反饋，讓學生科研更加高效，避免個別學生在集體匯報中混水摸魚的情況。2018年，長春理工大學的王曉茜等人[19]針對本校的《量子信息物理》課程，從教學內容、方法和考核三個方面做出了分析和總結，提出了板書、多媒體、科普視頻三者結合，再加以專業實驗的教學方法。在授課中用板書和多媒體授課，適當加入一些科普視頻，具有趣味性，更能激發學生的學習興趣、開闊學生的視野，另外結合專業實驗，實驗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容和方式。對于期末考核，可以適當加大自主學習內容的卷面分值，避免這部分內容只在平時成績中體現，從而學生不夠重視的情況發生。此外，為了讓學生更好吸收單個知識點的內容，他們提出讓學生分成小組，分別對某一專題進行討論學習并且設計相關問題，最終將討論結果以PPT形式講解，從而提高學生的學習積極性。

2 教學輔助工具

傳統教學方式主要依靠教師在課堂上的講授，隨著新時代新技術層出不窮，教學手段也逐漸向著新的方向發展。目前，選擇使用相關工具去輔助教學的高校教師越來越多，面向社會大眾的教學平臺也接踵而至。作為新興學科的代表之一，量子信息教學領域同樣表現出這樣的趨勢。目前，國內外量子信息教育工具主要有教學仿真平臺、在線教程、嚴肅游戲(教學游戲)等類型。

2.1 教學仿真平臺

隨著仿真技術的迅速發展以及仿真軟件的普及，利用計算機模擬平臺來輔助教學的優勢日益顯著，它改變了信息科學傳統的教學方法和教學模式，大大推動了教育水平的發展。目前量子信息有多種實驗體系，但大多成本很高，無法實際部署供高校大量學生進行教學實驗，同時量子通信過程中存在許多不理想的因素，導致傳統的課堂教學中存在很多問題，包括理論脫離實際、缺少實踐環節、教學方法單一、教學氣氛沉悶等。考慮到量子力學基礎知識的抽象復雜、枯燥乏味，且無法提供足夠的實際實驗環境的特點，用仿真軟件模擬實驗環境就成為了非常適合輔助教學的一種策略。

2015年，波蘭AGH科技大學的幾位學者提出了一個基于量子集成開發環境QuIDE的課程概念[20]，其思想是將理論知識與在QuIDE模擬器[21]上進行的實踐課程相結合，課程內容包含量子門、量子比特和一系列諸如Deutsch和Bernstein-Vazirani問題、Grover搜索、Shor素因數分解、量子隱形傳態和量子密集編碼等算法。由于彼時IBM等各大量子科技巨頭的模擬量子計算平臺還未公布，并沒有既符合教學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量子計算物理機的量子計算平臺之一，IBM模擬量子計算平臺IBM Quantum Experience(IBM QX)具有優良的用戶體驗、功能豐富的量子計算實驗模塊以及強大的量子計算模擬機和物理機，除廣大量子計算愛好者之外，IBM QX同樣受到許多高校教師的青睞。文獻[22]介紹了美國佩斯大學研究生量子計算課程的教學經驗，該課程涵蓋量子計算電路、量子算法、量子計算的數學模型、量子糾錯和量子密碼學等領域，包括理論部分和基于IBM QX平臺的項目實踐部分。在此實踐課程中，學生需要使用量子計算匯編語言(QASM)和Python開發項目，包括量子計算基本實驗、算法優化、解決實際問題等主題，最后運行在IBM QX的模擬器或實際物理機上。

同樣采取IBM QX平臺作為教輔工具的還有西班牙馬德里的Carrascal等人。考慮到沒有物理學背景的計算機專業本科生去學習量子計算課程，他們提出的教學方法是借助經典面向對象編程簡單地模擬量子系統，以此讓學生深刻理解量子計算的基本概念，然后讓學生在IBM QX平臺上構建和測試量子電路，課程最后還可以視具體學習情況講解量子隱形傳態、量子相位估計、Grover和Shor等重要量子算法[23]。關于模擬平臺的選擇，他們對多個現有的量子編程環境進行了定性和定量分析，包括Qiskit、Cirq、PyQuil、Q#和ProjectQ，最終結果表明IBM QX平臺更適合于教學應用。學生可以先在IBM Composer上實踐測試電路，然后利用其基于Python的量子編程環境Qiskit構建量子電路，一步步深化理解量子計算。

除上述主要用于量子計算模擬實驗的仿真平臺外，還有一些專業人員、高校或科研機構則在積極投入量子通信實驗的教學仿真軟件開發。

在新工科教學思想的指導下，部分高校已經將量子信息課程內容滲透到工科專業的本科生中。2019年，中國科學技術大學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的學生去學習，注重實踐能力的培養，在課程實驗部分采取了虛實結合的方法來解決教學實驗資源短缺的問題，盡可能在教學效果和教學成本之間取得平衡。對于量子密鑰分發的實驗內容，讓學生基于熟悉的C語言、Matlab和Python等工具編寫仿真程序，再對密鑰率等參數進行計算，加深對協議的理解，同時通過調整仿真模型的系統參數，理解實際系統和理論模型之間的區別與聯系。針對糾纏、疊加和測量等物理特性豐富但設備昂貴的實驗，作者嘗試校企結合，開發了3D虛擬仿真軟件，盡可能貼近真實器件，讓學生有實際操作量子光學實驗的體驗感。

此外，英國圣安德魯斯大學的Kohnle等人開發了一個名為QuVis的量子力學可視化項目[25-26]，旨在為量子力學的學習和教學開發交互式模擬系統。作為QuVis項目的一部分，Kohnle等人于2017年開發了一套針對量子密碼學的仿真系統[27]，使用三種不同的協議演示了量子密鑰分發的基本原理，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現。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，若要更貼近實際實驗，則需要進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量子計算課程的學生，Westfall等人分享了學習經驗并提出一個教學方案。文獻[28]中，他們提出用抽認卡(flashcard)[29]記憶關鍵概念加上交互式在線課程的教學方案。該抽認卡使用對時間敏感的算法幫助學生記憶一些基本概念，從而更好更快地理解量子計算。文獻[30]中則介紹了教學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算法以及它們如何使用量子計算協同工作等五個主題的視頻課程和測試部分。作者認為，與經典計算機相比，量子計算提供更快的計算速度和更好的結果，其基本基礎是量子力學，但并不需要完全掌握量子力學或物理學即可在量子計算機上進行編程，對于量子計算機程序員來說，理解亞原子和原子世界的一小部分特性足以。為了學習的高效性，此教程最大程度地精簡背景知識介紹，忽略Grover和Shor算法的提出時間等內容，這樣，先導課程只約為一個小時，從而避免學生因為過多枯燥復雜的內容失去興趣的情況發生。該項目部署在更偏向于教育性質的Udemy平臺，當學生每完成一個模塊的學習，即可得到由10個簡短問題組成的測試內容。

同樣致力于量子領域交互式在線教程開發的還有美國學者Singh等人，他們從2006年起就一直以學生學習量子力學的困難研究為指導，致力于開發一套量子交互式學習教程(QuILT)。此教程使用基于詢問的學習方法，向學生詢問一系列指導性問題，努力彌補學習量子力學過程中定量和定性之間的差異。教師可以將QuILT用作課堂教學工具或作為課后作業。文獻[31]介紹了QuILT中量子密鑰分發的部分，即QKD QuILT。學生在此教程中首先了解基本的背景知識，然后學習一些具有理論安全性或實際安全性的QKD協議，其中還包含測試部分，學生在傳統性地學習基本概念之后，可依次進行預測試、后測試、延后測試等。

2.3 嚴肅游戲

嚴肅游戲(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的游戲[32]，具體指以教授知識技巧、提供專業訓練和模擬為主要內容的游戲，目前已廣泛應用于教育、醫學、科研、培訓、軍事、工業等諸多領域。這種基于嚴肅游戲的教學方法通過設計和分析模擬游戲以支持正式的教育或培訓，確保學生學習樂趣和動機，凸顯教育價值。

美國的Parakh等人在2017年提出了[33]一個基于項目的游戲化教學模式，改變了傳統的課堂教學模式，開發出一款名為QuaSim的量子密碼學游戲，將傳統的課堂授課轉化為基于軟件項目的虛擬環境，以此來交互式地教授學生課程內容。此游戲模仿現實世界，將學生直接置于通過計算機生成的虛擬環境中，提供多種角色以及多種學習模式，引導學生去解決系統設定的一些實際通信問題。在問題解決環節，系統支持團隊競賽，最終可能會產生最優或次優解，在某些情況下也無法找到解決方案。玩家進入游戲之后，初始界面有神諭、偏振、疊加、測量四個選項可供選擇，若點擊“神諭”，系統將根據玩家以前在游戲中的成就和所選擇的角色，引導玩家朝著合適的方向前進，而選擇偏振、疊加和測量三者之一將會傳送到對應的學習模塊中。游戲以玩家的第一視角用射擊類游戲的形式，設計用于學習和理解量子密碼學內容的各個關卡，畫面精美、內容豐富，確保了學習的趣味性。

作為量子巨頭之一的IBM則在2018年推出了世界上第一個開源的量子計算棋盤游戲Entanglion[34]，它是一個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、量子門、疊加、糾纏、測量和誤差等概念，以及構建真正的量子計算機所涉及的各種軟硬件。它以一種輕松、獨特的方式傳達了復雜的技術概念，在游戲評估階段即受到測試人員的廣泛歡迎。

3 結束語

在當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教學理念、推陳出新、善用教學工具增加學生學習的趣味性。量子信息作為新興學科，在高校中仍屬于物理學、網絡安全、密碼學或是計算機等專業的課程內容之一，還未單獨成立專業學科。而隨著量子技術日益發展，未來的人才需求會與日俱增。為良好應對人才缺口，各高校需要完善量子信息教學體系，加強量子技術人才輸出。

可以看到，許多教學人員、研究人員和企業都在致力于發展量子信息的教育事業。無論是以教師講授為主的課堂教學模式的革新，亦或是借助在線教程、模擬平臺、嚴肅游戲等輔助教學工具，相較于傳統一成不變的教學方式，都有著不錯的提升效果。未來的工作中，依舊需要更多課堂教學方式、教材選擇、考核方式等多方面的教學體系改革提升；在教輔工具方面，也依舊需要更多能吸引學生學習興趣、針對不同專業學生背景精簡課程內容、教學效果良好的在線課程；更多用戶體驗感良好、性能優秀、更貼近實際實驗環境的模擬仿真系統；更多趣味性強、界面優美、能讓學生深刻記憶課程概念的教學游戲。