arXiv:2005.07874v2 [physics.ed-ph] 2020 年 5 月 26 日__

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arXiv:2005.07874v2 [physics.ed-ph] 2020 年 5 月 26 日

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过去几年，随着全球产业和政府的巨额投资，量子信息科学与技术 (QIST) 领域得到了巨大的扩展。随着该领域的扩展，对 QIST 的劳动力需求和公众对它的了解也在不断增加，至少是在表面层面上。学生在科普文章中阅读有关量子计算和相关技术的文章，变得好奇并渴望了解更多信息。然而，他们进入这些领域存在障碍，因为他们通常必须学习物理 (或相关领域) 课程，而且即使这样，他们也只能在大四，或者最多大三的时候学习和使用量子力学 (QM) 工具。这是因为，传统上，学生首先要花大量时间学习在位置空间中解薛定谔方程，然后才能看到有限希尔伯特空间问题，例如磁场中的自旋。有些书籍 [1, 2] 从有限希尔伯特空间开始，这使得该主题更容易理解，因为在这种情况下，主要先决条件是线性代数。事实上，人们可以在不上过量子力学课程的情况下学习量子信息，而且有些教科书采用这种方法，例如 Mermin 撰写的关于量子计算的优秀书籍 [3]。参考文献 [4] 介绍了一个量子计算高中模块，它也从有限希尔伯特空间开始，并假设学生具备线性代数知识。然而，后者可能是一个障碍，因为线性代数通常不在标准高中课程中涵盖。一般来说，现有资源要求学生掌握高中所学内容以外的一些高等数学知识，然后他们才能有意义地解决问题并真正理解 QIST。在这里，我们描述了我们两个人（EB、SEE）在 NSF 赞助的 EFRI 项目下开发的一个推广计划。我们的方法部分基于我们中的一位 (TR) 在 2015 年设计的一种简单机器，当时我们被要求在英国的一个 12-14 岁数学夏令营教授一些量子计算课程，后来在 2017 年初在卢旺达非洲数学科学研究所为期一周的系列讲座中对其进行了改进。这些讲座面向具有统计学和数据分析背景的硕士生。该课程的讲义被编入《Q is for Quantum》[5] 一书中，该书让没有任何线性代数（或其他复杂数学）背景的学生能够充分了解量子信息的基础知识并执行简单的计算。该书第一部分的 pdf 副本可在 qisforquantum.org 免费获取。此后，我们将该书及其引入的形式称为 QI4Q。 EB 和 SEE 开发的其余外展计划使用 IBM Quantum (IBM Q) Experience 模拟器和设备，学生可以在其中运行电路并将结果与他们使用 QI4Q 形式进行的纸笔工作进行比较。最后阶段涉及我们其中一人（EB）开发的一款量子游戏，名为“金钱或老虎”。总而言之，外展计划有四个要素：

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