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量子教育九大关键概念,美国致力从高中开始培养量子未来劳动力

发布时间:2020-07-31 21:46阅读次数:1031次
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来源:问天量子公众号


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。近期,美国国家科学基金会(National Science Foundation)和白宫科技政策办公室(White House Office of Science and Technology Policy)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。

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图 来源[1]


该研讨会的主题是“面向未来量子信息科学学习者的关键概念(Key Concepts for Future QIS Learners)”,旨在确定未来课程和教育活动的基本概念,将帮助学生为参与量子信息科学(QIS)做好准备。

 

研讨会为未来的量子信息科学(QIS)学习者提供了九个关键概念,并形成文件。这些概念定义了量子信息科学(QIS)领域,介绍了该领域的基本思想,并描述了研究和应用的关键领域。


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图 文件截图 (来源[1])


参与者代表了一系列对当今量子信息科学有所贡献的融合学科:物理学,计算机科学,材料科学,工程学,化学和数学。

 

芝加哥大学的Diana Franklin评价:“最难的部分是尝试不变得太技术化,试图摆脱对物理学的解释,而是找到不涉及高级数学的概念,但绝对是可以使您日后有所帮助的概念。”“我们不想创造出一种技术性的东西,而大多数高中老师和学生都无法接受,导致只有少数学校会采用它。” “我们想证明这些概念可以为更多的人所接受;否则,我们最好等上大学。”



供未来QIS学习者的关键概念


供未来QIS学习者的九个关键概念


1. 量子信息科学(Quantum information science (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。



支持关键概念的重要基础知识


1.  量子信息科学(Quantum information science (QIS))利用量子物理原理来改变信息的获取,编码,操作和应用方式。 量子信息科学涵盖了量子计算,量子通信和量子传感,并推动了其他科学技术的进步。

  1. 量子信息科学采用量子力学,这是一种经过充分检验的理论,它使用概率、向量、代数、三角、复数和线性变换等数学语言来描述物理世界。

  2. 量子信息科学将信息理论和计算机科学结合起来,遵循量子力学的规律,以全新的方式处理信息。

  3. 量子信息科学已经产生并增强了全球定位系统(GPS)等高影响力的技术,该技术依赖于基于原子量子态的原子钟的极高精度。

 

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

  1. 量子态由抽象空间中的方向或矢量表示。

  2. 量子态矢量的方向决定了一组测量所有可能结果的概率。物理世界中的量子操作遵循向量操作,包含复数和负值。这捕捉到了量子系统的一种行为,它不能仅仅用概率算法来描述。

  3. 量子系统是脆弱的。例如,测量几乎总是以一种不可忽视的方式扰乱量子系统。这种脆弱性影响了计算算法、通信和传感协议的设计。

 

3. 量子应用被设计成在不需要观察的情况下小心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。

  1. 测量是与量子系统的相互作用,它将具有多种可能结果的状态转变为一个“塌缩”状态,此时只有一个结果,即测量结果。

  2. 量子态决定了单个量子测量结果的概率,但是单个测量结果很少能显示出整个系统的完整信息。

  3. 为了确定量子态更完整的信息,需要对相同制备的一系列量子态进行重复测量。

  4. 由于量子测量的局限性(只提供部分信息并干扰系统),单个量子态不能被克隆。

 

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,如光的偏振态、原子的能量态或电子的自旋态。

a. 与经典比特不同的是,每个量子比特可以用叠加或矢量和的方式表示信息,矢量和包含两个相互正交的量子态。

b. 在特定时刻,一组n个经典比特只能存在于2n个可能状态中的一种,但一组n个量子比特可以存在于所有这些状态的叠加中。这种能力允许量子信息以经典方式难以完成或不可能完成的方式存储和处理。

c. 多个量子比特也可以相互纠缠,其中一个量子比特的测量结果与其他量子比特的测量结果相关。

 

5. 量子纠缠(Entanglement)可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。

a. 当处于叠加态的多个量子系统纠缠时,它们的测量结果是相关的。纠缠可以导致不同于经典系统的关联。

b.  一个由多个量子比特组成的纠缠量子系统,不能仅仅通过为每个量子比特指定一个单独的量子态来描述。

c.  量子技术以不同的方式依赖于纠缠。当保持脆弱的纠缠态时,可以实现计算上的优势。同时,纠缠态的极端灵敏度可以增强传感和通信。

 

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

  1. 退相干通过与周围环境不期望的相互作用破坏叠加和纠缠。比如不受控制的辐射,包括光、振动、热或磁场,都可能导致退相干。

  2. 有些类型的量子比特天然就是孤立的,另一些则需要精心设计的材料以保持其相干性。

  3. 高退相干率限制了量子计算的长度和复杂性;利用纠错法可以缓解此问题。

 

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。

  1. 量子比特可以更简洁地表示信息;与最大的经典超级计算机相比,使用100个左右量子比特可以存储和处理更多的信息。

  2. 在处理过程中,量子数据可以保持在许多经典态的指数叠加中,这使得量子计算机在某些计算中具有显著的速度优势,例如分解大数(指数加速)和执行搜索(二次加速)问题。     但是,对于其他类型的计算来说,没有速度优势。

  3. 容错量子计算机可以修正量子计算过程中发生的所有错误,包括由退相干引起的哪些错误,但纠错所需的资源比原始计算要多得多。

 

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。

  1. 量子隐形传态是一种协议,它利用纠缠,在一个位置破坏量子信息,并在另一个位置重新创建它,而无需传输物理量子比特。

  2. 量子密码学基于量子物理学原理增强了保密性。由于量子系统的脆弱性,窃听者的干扰测量几乎总是被检测到。

 

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。

  1. 海森堡测不准原理描述了同时测量两个特定的、独立的属性的基本极限。“压缩”(Squeezing)有意牺牲测量一个属性度量的确定性,以达到另一个属性度量的更高精度;例如,LIGO中使用压缩(Squeezing)技术来提高对引力波的灵敏度。

  2. 量子传感器利用了物理量子位对周围环境极其敏感的事实。同样的脆弱导致了快速的退相干,使得精确的传感器成为可能。例如磁力计、单光子探测器和用于改进医学成像和导航、定位和计时的原子钟。

  3. 量子传感极大提高了基本常数测量的精度和准确性,使国际单位制摆脱了对独一无二人工制品的依赖。测量单位现在是通过这些基本常数来定义的,比如光速和普朗克常数。


参考链接

  1. https://qis-learners.research.illinois.edu/

  2. https://files.webservices.illinois.edu/9156/keyconceptsforfutureqislearners5-20.pdf


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