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匹兹堡大学物理与天文学系，宾夕法尼亚州匹兹堡 15260 * 通讯作者，电子邮件：pth9@pitt.edu 摘要 量子信息科学是一个快速发展的跨学科领域，吸引了学术界和行业专家的广泛关注。它需要来自各种传统领域的人才，包括物理学、工程学、化学和计算机科学等。为了让学生为这样的机会做好准备，重要的是让他们打下坚实的量子信息科学基础，量子计算在其中起着核心作用。在本研究中，我们讨论了布洛赫球面教程的开发、验证和评估，布洛赫球面是一种有用的可视化工具，可用于培养对单个量子比特（量子位）的直觉，而单个量子比特是任何量子计算机的基本组成部分。在学生接受有关必修主题的传统讲座式指导后，以及在参与教程后，我们对他们的理解进行了评估。我们观察、分析并讨论他们在教程中涵盖的概念上的表现进步。简介 量子信息科学与工程 (QISE) 是一个令人兴奋的跨学科领域，可在量子计算、量子通信和网络以及量子传感中应用，这些应用因多种原因而吸引着科学家和工程师。计算机科学家和工程师正在开发用于解决各种问题的量子算法，包括传统计算机无法大规模解决的问题。例如，在传统计算机上，对大素数乘积进行因式分解的问题会随着素数的大小呈指数增长，但在使用 Shor 算法的量子计算机上，该问题的大小大致为多项式。对于未来科学应用，物理学家和化学家也对量子计算机解决其学科中重要问题的潜力感到兴奋，其中求解薛定谔方程起着重要作用。开发强大的量子比特 (qubit) 和可扩展的量子计算机需要物理学家和工程师的专业知识。由于所有这些原因以及其他原因，这一研究领域对于许多来自科学和工程学科、对 QISE 相关领域感兴趣的学生来说，具有巨大的发展前景 [1,2]。用于介绍量子态及其可视化的教学工具之一是 Bloch 球，它允许可视化量子比特（量子计算机的基本功能单元）的状态。它可以成为理解双态系统特性的重要而有力的辅助手段，但学生往往难以理解。此外，Bloch 球是当前研究（包括量子传感和断层扫描）中非常有用的工具，该领域的实验者经常使用它来表征工作中的单个量子比特。布洛赫球面可以让人们以图形方式了解单量子比特状态，包括通过密度矩阵的混合状态，以及可以通过单量子比特门完成的操作。
学生对布洛赫球的理解
主要关键词
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