应用案例丨北京理工大学：利用教学级量子计算机，将量子技术实践引入课堂

 

随着量子科技的迅猛发展，许多高校都开始加大对相关人才培养的重视。北京理工大学开展量子技术实践课，通过利用量旋科技的教育级量子计算机，让学生更好地掌握量子信息理论与实验基础知识，培养了学生的创新思维和解决问题的能力，进一步推动了量子信息教育在高校的发展。

 

 

 

开展量子信息教育，北京理工大学的新尝试

 

创立于1940年的北京理工大学（以下简称北理工），是首批进入国家“211工程”和“985工程”的高校，在坚持瞄准国家重大战略需求和世界科技发展前沿的导向下，一直特别重视在量子信息、集成电路、智能制造等基础性前沿领域的研究与探索。
2016年，北理工成立了量子技术研究中心，在葛墨林院士的组织与指导下成立运行，围绕国家在量子技术方面的战略需求，创新量子教育形式。

北京理工大学校园丨图源：北理工官网

 

深耕量子技术领域多年的尹璋琦教授，也在这一时期，加入北理工量子技术研究中心。摆在他面前的重要任务之一，就是要将多年的科研积累转化为教学输出，通过强化教学能力，提升课堂效果，促进学生创新能力养成。

“在量子技术大发展的时代，将量子信息领域成熟的实验技术引入课堂，对提升教学效果大有裨益。”在尹璋琦看来，科学有前沿，也有基础。前沿需要有人去钻研，而基础也要有人去传承。作为从事量子科学研究的大学老师，他觉得自己有责任把过去近二十年，在量子信息领域所积累的成熟实验技术引入课堂，帮助更多的学生学习掌握量子科学知识和实验技能。

2019年10月，尹璋琦向北京理工大学量子技术研究中心，提出开设“量子技术实践课程”的建议，得到了中心的肯定和大力支持。

 

然而，对于尹璋琦和北理工的老师们来说，从科研到教学，面向本科生开设量子技术课程，还是面临很多现实的问题：比如建设经费匮乏、实验教学空间不足等等。其中最为迫切的一点，就是缺乏用于实验教学的教具设备。如果将科研用的设备直接搬到教学场景中，稳定性不够理想，学生往往要花费大量时间调试校准，整体教学体验并不好。

此外，学校的老师也曾尝试让学生使用IBM的云平台Qiskit，但是对大部分中低年纪的非相关专业本科生来说，仅仅是账号注册、环境搭建，就已经很头痛了。

 

 

教育级量子计算机，助力量子技术实践课落地

 

在随后的多方比较中，尹璋琦了解到量旋科技的教育级量子计算机，将软硬件设备封装成一体化的解决方案，能够为量子计算教学和演示，提供一整套完整的体验。在沟通之后，很快就拿到了样机试用。

 

2020年初，由尹璋琦深度参与的《量子精密测量技术》面向全校理工科学生开放，这也是学校第一门量子科技类实践课程。

 

据尹璋琦回忆，第一次授课时，正好赶上2020年春新冠疫情爆发，学生们无法返校做实验，但他们学习热情空前高涨，选课人数很快达到了课程的上限。紧抓科学热点的实验课，成为了学生选课的热门。尽管有疫情阻隔，通过远程登陆控制系统，学生们还是顺利完成了实验。

在这门课程中，尹璋琦和北理工的老师，会用六周时间，向同学们介绍量子技术的基础理论知识。而后续的六周实践课程上，老师会通过量子计算机真机，向学生们演示量子比特的标定、量子叠加、量子纠缠、量子态操控、以及一些经典的量子算法实验案例。之后由学生实际操作，进行量子计算相关实验。

经过课程初步和操作系统的引导后，学生基本能够独立运用量子计算机，进行单/双量子比特的线路搭建与测量。同学们普遍认为，虽然量子理论部分内容有些难，但是通过动手做实验，能对量子技术很切身直观的体会。

“上课时，我们讲完基本原理，就让学生实际操作量子计算机。而量旋的桌面型量子计算机操作简单，特别适合教学场景，学生在了解原理后，可以直接上手，做各种实验，更深的感受到量子算法相比经典算法，在解决某些问题时的优越性。这就会进一步激发他们的兴趣。”尹璋琦说。

 

尹璋琦指导学生做核磁共振实验

 

自这门课开设以来，北京理工大学已有来自物理、宇航、机车、信电、光电、计算机等多个学院几百余位学生选修此课程，在核磁共振、单光子计数成像等平台上完成了多个量子精密测量相关的实验。其中，围绕量旋科技量子计算机的实验，最容易上手，也是反响最好的。

在尹璋琦看来，在量子教育中，相比理论知识的讲解，实践环节往往有着更大的价值，对学生开拓眼界和打开思路很有帮助。

 

 

高校量子信息专业兴起，量子科技人才培养加速

 

2021年，基于《量子精密测量技术》公选课的实践和经验，北理工开始筹备开设量子信息科学本科专业，并于2023年4月，正式获教育部批准。这也意味着，今年9月，北理工将迎来第一期量子信息科学本科专业学生。

尹璋琦表示，未来会根据招生人数的情况，考虑继续扩充量子计算机设备，不仅是用于公选课实验，而且将用在量子信息科学本科专业建设中。用他的话说，“对于面向实际应用场景的专业，这个实践类的课程就显示尤为重要”。

具体而言，北理工未来的量子信息科学本科专业课程，会进行分层建设，分为基础的导论课程、专业课程、科研实训类课程。与之相对应，实验也将分为基础性实验、专业类实验和科研级实验。

量子计算的发展需要高水平科研与技术人才的支撑。国际知名咨询机构麦肯锡研究发现，量子计算的人才缺口正在显著扩大：截止2021年，全球量子计算相关专业年毕业人数，与人才职位招聘需求的对比高达1:3。也就是说，每3个专业岗位的空缺，只有1名对应的合格候选人。

 

量子计算人才缺口丨图源：麦肯锡

 

随着量子科技的迅猛发展，许多高校都开始加大对量子科技人才培养的重视。包括推出量子计算在线课程、开展量子计算夏令营、增设量子信息本科专业，以及与相关企业联合培养量子信息人才等。

 

2020年教育部发布《未来技术学院建设指南（试行）》，其中特别提到要 “强化现代信息技术与教育教学深度融合，探索混合现实、量子计算等新技术、新工具、新标准在教学中的深度应用”。

自2021年以来，中科大率先增设量子信息科学本科专业，清华大学成立量子信息“姚班”，教育部更是在2023年批准北京理工大学、安徽大学、西南大学、湖北大学和郑州轻工业大学五所高校增设量子信息科学本科专业。

 

作为量子科技人才培养的“桥头堡”，高校扮演着重要的角色，培养一批具有专业知识和实践能力的量子科技人才成为当务之急。在量子信息教育兴起的背景下，高校只有不断完善培养体系，拓展合作渠道，才能加速量子科技人才培养，为我国量子科技领域的发展提供源源不断的人才支持。

 

 

 

联系我们，获得更多方案详情