隐秘的角落，量子信息教育的“军备竞赛”

出品  光子盒研究院

量子信息技术是是量子力学与现代信息技术结合的产物，主要包括量子通信､量子计算、量子精密测量技术等。

量子信息技术在确保信息安全､提升运算速度､提高测量准确度等方面能够突破现有信息系统的极限，在情报侦察､军事通信､大数据､人工智能等领域应用前景广阔，是目前国际上最具吸引力的前沿技术领域之一，已成为美､日､欧等国家和地区竞相发展的焦点。

欧美发力量子信息教育

为跟上全球量子竞争的步伐,美国国家科学技术委员会发布了量子科学领域首个国家发展战略《量子信息科学国家战略概述》,建议从量子研究方法､人才储备､量子产业､基础设施､国际合作等方面采取措施,推进美国量子信息科学发展｡

2018年12月21日,美国总统特朗普签署了《国家量子计划法案》,要求实施为期十年的“国家量子计划”,在今后5年内投资12.75亿美元,从标准制定､资金投入､机构设置等方面采取措施,推动基础研究､技术应用和人才培养｡

欧盟启动“量子技术旗舰”计划｡该计划总额10亿欧元,为期十年,力图汇集欧盟及其成员国的优势,推动量子通信､量子模拟器､量子传感器和量子计算机等领域的技术发展,确立欧洲在量子技术和产业方面的领先优势｡

德国政府投入6.5亿欧元用于资助“量子技术—从基础到市场”项目｡该项目在德国联邦教育和研究部､经济部､内政部以及国防部支持下开展实施,主要目标包括扩展量子技术研究领域､为新应用创造研究网络､开展国际合作等,项目将于2018年至2022年进行,并可能延长至2028年｡

英国宣布5年将为“国家量子技术”项目投入8000万英镑｡英国财政大臣菲利普˙哈蒙德批准为传感器和测量中心､量子增强成像中心､网络量子信息技术中心､量子通信技术中心投入8000万英镑,用于在2018年至2023年间支持量子技术研发和应用｡

其中，量子信息后备人才的培养被各国视为重中之重，量子信息教育正在全球开展，以下是全球量子教育领域的佼佼者：

TUM&LMU量子科学与技术硕士学位

量子科学与技术研究领域基于对量子力学原理的基本理解,同时也基于邻近研究领域的发展,例如数学､信息技术､电气工程和化学｡因此,慕尼黑市的两所大学——慕尼黑工业大学(TUM)和慕尼黑大学(LMU)携手建立了这一跨学科硕士课程｡

该课程远远超出了量子力学的标准教学计划,因为叠加和纠缠的概念在量子技术的现代应用(Quantum2.0)中至关重要｡由于学科领域的复杂性,课程开放给已经在进行量子科学的前沿研究工作的学生,同时扩展给自然科学(例如物理和化学)､数学和工程(例如计算机科学和电气工程)等研究领域的学生(背景要求)｡ 

滑铁卢大学量子计算研究所

滑铁卢大学对此非常自豪｡尽管许多大学都不愿开设量子计算课程,就仿佛猫收养机构拒绝薛定谔这类人的领养申请｡但这所加拿大大学却义无反顾地投入这项事业之中｡

黑莓创始人迈克·拉扎里迪斯在2002年资助了该研究所｡他还出资建立了滑铁卢周边理论物理研究所,这也是进行量子科学研究的重要机构之一｡作为量子计算领域的领军人物,量子计算研究所有约296名研究人员,自成立以来已发表了1500多篇研究论文｡

量子计算研究所的最大优势在于能将学术研究的卓越性与将这项技术商业化的创业动力结合起来｡

牛津大学

牛津大学对量子科学的重视由来已久｡早在1985年,该大学的大卫·多伊奇就准确描述了通用量子计算机｡第一台能运行的纯态核磁共振量子计算机首次在牛津大学和约克大学进行了演示｡迄今为止,牛津大学在量子科学领域仍处于领先地位｡

校方称,他们从事量子研究是因为该学科潜力巨大｡“量子计算可能会改变生活的各个领域,比如医疗､金融和安防｡牛津大学一直是量子理论和技术的先驱,并本着严谨负责的态度进行创新,以确保使用量子科学的力量造福全社会｡”

哈佛大学量子计划

哈佛大学表示,哈佛大学科学与工程量子计划(HQI)是“一个对推进量子系统科学与工程及其应用有着浓厚兴趣的研究人员团体｡我们的使命是为科学家和工程师研发新方法,以将量子理论转化为实用的系统和设备｡”

哈佛量子研究所是量子计算研究领域的带头人之一｡物理学教授米凯尔·卢金和研究小组在此演示一个51-量子位的特殊量子模拟器,即一种量子计算机｡

该组织表示,“第二次量子革新”将以第一次革新为基础｡第一次革新创造了GPS导航和全球通信,还在医学方面有磁共振成像(MRI)等技术突破,而HQI成员正在为第二次革新积蓄力量｡

MIT理论物理中心

麻省理工学院(MIT)的业界地位不可小觑｡该大学在量子计算和量子信息领域方面有深入研究｡利用在理论物理学方面的优势,麻省理工学院正深耕于所谓的量子信息和量子计算(QI/QC)学科｡除建造量子计算机以外,麻省理工学院的研究人员还在探索量子算法和复杂性､量子信息论､测量和控制以及应用和连接｡

量子技术中心的研究员默里·巴雷特及其团队最近在媒体上介绍了他们在量子计算方面的工作

国内量子教育需迎头赶上

目前我国整个量子信息技术水平在国际上属第一梯队,尤其是量子保密通信技术达到世界一流水平｡在安徽芜湖举行的中国密码学会2019年量子密码学术会议上,中国科学院院士郭光灿指出,“要成为科学强国不是一代人的事,必须要有传承,这离不开量子信息人才的教育和培养｡”

我国首颗量子卫星“墨子号”发射成功

量子信息是量子物理和信息技术交叉融合产生的新兴学科｡近年来,量子信息技术发展迅速,并开始衍生相关产业｡然而,量子信息技术高端人才的短缺始终是个掣肘｡

中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室韩正甫教授说:“与量子信息技术快速发展不相适应的是,量子信息从业人员严重缺乏,工程技术人员对量子信息技术的理解不够深入､实操能力不足,这些已成为限制该技术发展和应用的严重瓶颈｡”

人才匮乏源于教育缺失

“不自量力”这个成语在物理学领域还有个有趣的引申义,就是“不要试图自学量子力学”｡美国和欧洲一些国家都将量子信息教学发展列入到国家量子计划中｡

无论是2016年的欧盟《量子宣言》､2018年的德国联邦量子计划,还是2018年9月美国白宫出台的《国家量子信息科学战略概览》,无一不提出量子信息教育要从娃娃抓起,为了在未来拥有一支量子科学的人才大军,应从早期开始部署量子科学教育,包括小学､初中和高中阶段｡

事实上,我国量子信息技术正蓬勃发展,目前也有一些高校开设了量子信息相关课程｡但是现有的课程和教材从思维模式和体系结构上,大多侧重讲述物理原理和基础方案的验证性实验,缺乏类似工科专业教学的案例､教材和实验资源｡而量子信息作为理工结合的新兴学科,离不开量子理论研究和实验研究的紧密结合｡

同时,我国的量子信息和新工科目前也在蓬勃发展,已具备将量子信息相关课程渗透到工科专业本科阶段的基本条件｡在新工科教学思想的指导下,中国科学技术大学面向网络空间安全专业的本科生开设了量子信息相关的导论课程｡该课程的教学思路和实践方法为网络空间安全学科的量子信息教学提供了有价值的参考｡

中科大量子物理与量子信息研究部

量子物理与量子信息研究部成立于2001年,研究部主任为潘建伟院士｡研究领域为量子光学与量子信息,研究方向包括量子力学基本原理检验､光纤量子通信､自由空间量子通信､量子存储与量子中继､光学量子计算､超导量子计算､超冷原子量子模拟､量子精密测量以及相关理论研究等｡研究部已经搭建了众多相关实验平台,建立和发展了一整套与量子信息实验研究相关的分析探测设备和手段,研究条件具有国际先进水平｡

潘建伟院士

本源量子

合肥本源量子计算科技有限责任公司(简称“本源量子”)成立于2017年9月11日,是国内首家量子计算初创公司｡总部位于合肥高新区,并在合肥市经开区和深圳设有分支机构｡本源量子技术起源于中科大中科院量子信息重点实验室,专注量子计算全栈开发,各类软､硬件产品技术指标国内领先,已申请专利百余项｡

南京大学

为了推进量子力学学科建设，完善和创新学科教学内容、教学方法、教学手段，实现量子力学的基础教学以及量子技术人才的教育与培养，南京大学开设了与量子理论教育紧密结合的依托于金刚石量子计算教学机（国仪量子制造）的实验课程。

该实验课程内容丰富，涵盖了众多量子力学的基础理论与经典实验，课程内容包括有：连续波实验、拉比振荡实验、T2实验、回波实验、DJ算法实验以及自由实验等。

深圳大学

深圳大学的金刚石量子计算教学机（国仪量子制造）实验课程《量子操控与量子计算》设计在物理与光电学院的近代物理必修课中，实验课程内容包括有：连续波实验、拉比振荡实验、T2实验、回波实验和DJ算法实验。

该实验课程于2019年国庆后的第一周开课，每周三次课，分别安排在周二下午、周二晚上和周四下午，每次课程四个课时，课程中学生分为两两一组协同进行实验操作。

量子教育九大关键概念

如果量子信息科学(QIS)将来会产生重大的技术推进,那么现在就开始培训未来的量子劳动力是十分必要的｡今年,美国国家科学基金会和白宫科技政策办公室召集了一群教育工作者､研究人员和行业代表,于2020年3月召开了一个虚拟研讨会,为如何在大学之前开始这种教育设定了指导方针｡

1.量子信息科学(QIS)利用量子物理原理来改变信息获取､编码､操作和应用的方式｡量子信息科学包括量子计算､量子通信和量子传感,并推动了其他科学技术的进步｡

2.量子态(a quantum state)是物理系统(如原子)的数学表示,为处理量子信息提供了基础｡

3.量子应用被设计成在不需要观察的情况下小心地操作脆弱的量子系统,以增加最终测量提供预期结果的概率｡

4.量子比特(qubit)是量子信息的基本单位,被编码在物理系统中,比如光的偏振态､原子的能量态或电子的自旋态｡

5.量子纠缠(Entanglement)体现多个量子比特之间不可分割的关系,是量子系统在大多数量子信息系统应用领域中获得量子优势所必需的关键属性｡

6.为了成功完成量子信息的应用,必须保持脆弱的量子态,或保持相干性｡

7.量子计算机(Quantum Computers)利用量子比特和量子操作,将比经典计算机更有效地解决某些复杂的计算问题｡

8.量子通信(Quantum Communication)使用纠缠或传输信道(例如光纤)在不同位置之间传输量子信息｡

9.量子传感(Quantum Sensing)利用量子态以量子力学所允许的最高精度来检测和测量物理性质｡（感谢问天量子对本文的支持）

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。