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面向非物理类专业

发布时间:2020-04-22

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       量子通信产业化时代即将到来,但量子通信产业对工科人才的创新能力、实践能力和学科的交叉融合能力的要求显著提高,急需高等教育面向产业需求,培养对量子信息有正确和深刻理解的工程技术人员。可以说,量子通信技术高度契合新工科教育的发展目标,在新工科蓬勃发展的背景下,将量子通信融入新工科课程体系建设顺应国家社会发展趋势,是高等教育课程改革发展的重要方向。


      工科等非物理专业学生的量子信息教育存在以下难点:
(1)学生的知识体系:学生的先导课程中物理类课程较少,讲述内容较浅,量子力学、非线性光学和量子光学等是物理类专业学生的必修前置课程,而对于工科学生来说,这些课程的缺失将导致其在理解量子信息时出现较大的困难;
(2)课程的教学目的:从量子信息的学科背景来要求,并非大而全的介绍量子信息技术,而是要使学生在积累基本知识的前提下学而知用,这对教学内容和教学方法提出了挑战;
(3)实践平台的设计:目前量子信息的操控对象主要是光子,在现有的大学物理实验中,虽然有光学相关的实验内容,但是与量子信息课程的契合度不高,同时由于专业的量子光学实验平台通常成本较高,全面部署的难度较大。


针对以上功课学生特点,我们推出符合工科学生的量子信息教育平台


1.丰富的量子信息课程和实验设计
课程设计参考中国科学技术大学相关课程,课程体系设计充分考虑学生教育特点,知识层次上逐步递进,分为量子信息基础、量子信息应用和量子保密通信三大类。同时我们又具体划分为偏重配合日常教学基础实验课程平台、以及面向高年级本科生和研究生的创新实验课程与科研验证平台。

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2.软硬结合的量子信息实验体系
2.1 量子密钥分配实验系统
    量子密钥分配实验系统是依据量子信息教学、科研及应用设计的专用设备,是一套采用偏振编码方式、支持光纤信道传输的量子密码教学实验系统。
    设备采用模块化设计,包含量子密钥分配各个阶段的软硬件实现环境,包括:量子态四态制备、编码、传输、探测,量子密钥分配协议后处理算法的实现(纠错、保密放大),以及安全密钥的存储与管理,并提供密钥输出接口。
    该系统具有低成本、高稳定性、宽波长范围、高成码率等特点,操作方便,直观易懂,功能丰富,可广泛应用于中高等院校的科普与教学。

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图 1 光纤偏振QKD实验系统

2.2 量子光学仿真实验室
    考虑到目前量子信息有多种实验体系,但大多成本很高,无法实际部署供本科学生进行教学实验。因此,课程在实验设计上充分利用了计算机技术发展带来的工具和方法,采取了虚拟仿真与实体结合的方法来解决教学实验资源短缺的问题,其中针对纠缠等物理特性和器件操作较丰富的实验,我们按照真实的物理器件进行一比一建模,在物理特性和操控方式上贴近实际器件。通过搭建3D虚拟仿真平台,使学生可以操作与真实的量子光学实验系统相近的三维仿真系统,实际了解从纠缠源制备到Bell态测量等量子信息的基础内容。

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图 2 量子光学仿真实验室

2.3 QKD实验仿真软件Qsim
    而针对量子通信协议,我们同样基于课程设计了量子通信协议的仿真实验内容,可以布置结合诱骗态的BB84协议成码率计算等仿真实验,通过C语言、Matlab和Python等工具编写仿真程序,实现量子通信的安全密钥生成率并绘制码率与传输距离的关系图,加深对协议基本概念的理解,同时可以通过调整仿真模型的系统参数,了解不同器件和器件的不同参数对系统性能造成的影响,初步建立起实际系统和理论模型之间的对应关系,以及对实际系统的安全性分析能力。


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图 3 QKD实验仿真软件Qsim

3.贴近工科特点的定制化讲义和课程设计
    实验平台配套对应定制化讲义和课程设计,贴合工科学生特点,优化教学材料支撑体系,打造工科学生能够理解的量子信息教学课程。


参考文献:

[1] 陈巍,银振强,韩正甫,俞能海《网络空间安全本科量子信息教学实践》[J],网络与信息安全学报.2019


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