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本科設“量子信息科學”專業 國之所需,少年所行

2021年07月06日來源:科技日報

2021年的高考順利結束。選擇報考什么專業又擺在了考生和家長面前。今年初,教育部公布了2020年度普通高等學校本科專業備案和審批結果,中國科學技術大學(以下簡稱中國科大)獲批新增設5個本科專業,其中“量子信息科學”赫然在列。

“高大上”的量子信息科學專業是個怎樣的專業?在本科生階段開設這樣的專業是否過于專業化、前沿化?

量子物理學與信息學的交叉學科

5月24日,清華大學量子信息班正式成立,由圖靈獎得主姚期智院士擔任首席教授,首批計劃招收20人。

姚期智院士在啟動儀式上表示,一方面,量子信息科技的發展到了一個全新的階段,無論是國家戰略需求還是科研產業發展,都需要提前布局謀篇;另一方面,從長遠來看,要想在量子科技領域取得顛覆性、原創性突破,多學科交叉的人才培養是核心。

“量子信息學科有著比單一學科領域更廣的基礎知識需求,依賴于多學科的交匯融通,培養模式、課程設置與其他學科有著顯著區別,因此必須進行體系化、專門化培養。”中國科學院量子信息重點實驗室副主任、中國科大半導體量子點量子芯片研究方向帶頭人郭國平教授告訴科技日報記者,早在上世紀90年代,中國科大就面向研究生開設了量子光學、量子信息導論等選修課,后來對本科生也開設了相關選修課。

“其實,在中國科大的碩士和博士研究生的學習及科研中,這些專業早就有了,現在進一步統一專業名稱并列入本科教育中,適逢其時,意義重大。”郭國平說。

“量子信息科學是量子物理學與信息學的交叉學科,此次新增專業屬于物理學類。”郭國平說,量子信息科學與技術目前主要有三大方向,量子通信、量子計算、量子測量。信息的傳輸就是量子通信,信息的處理就是量子計算,信息的采集就是量子測量。

郭國平說,量子力學與經典信息學的交叉是一個逐步演化、相互促進的過程,是一個長期的過程。“比如量子通信還是需要經典通信進行輔助。比如量子計算對傳統信息處理,包括算法進行了改進,但本質上還屬于經典通信的范疇。”

他表示,要實現國家“十四五”規劃綱要啟動部署的量子信息領域相關任務,必須要有足夠規模的、優秀青年人才隊伍支撐。通過本科階段的人才培養,推動量子信息學科交叉,可以為我國量子科技領域的系統布局做好拔尖創新人才儲備。

量子教育是各國的未來之爭

“廣基礎、重交叉、注重科研實踐、理論實驗相結合,應是量子信息科學專業的主要培養特色。”郭國平告訴記者,我國在量子信息科學領域研究工作與國際同步,并且在許多方面居于國際領先地位,為我國量子信息科學的發展奠定了堅實的實驗基礎。除中國科大外,我國的山西大學、中國科學院物理研究所等單位也開設了量子信息科學的研究生課程,國內許多高校都在開設類似的選修課。

“新設立量子信息科學專業,可以說是把以前分散在學校的信息學院、計算機學院、物理學院、軟件學院等不同學院的課程集中起來打磨,融合在一起。”郭國平說,從教學的角度來講,這應該是個應用基礎學科,是以應用和產業發展為目標和牽引的,而非純粹的基礎學科。

“國外許多大的量子技術公司,都在開設量子信息課程。各大量子計算公司更是從搶占早期市場與培養用戶使用習慣出發,早早推出了一系列的量子計算教育課程。例如IBM去年就公開招募了量子計算暑期實習。”郭國平說。

美國在2018年頒布《國家量子計劃法案》,支持量子信息科學的專業發展和人才培養;2019年更是發布了一項將量子信息科學加入從幼兒園到高中的K-12教育倡議計劃。歐盟則在《量子宣言》中規劃了對量子信息技術人才的培養。各大科技巨頭包括谷歌、IBM、英特爾、微軟、霍尼韋爾、亞馬遜,以及我國的阿里巴巴、騰訊、百度、華為等也都成立了量子實驗室。

“在本科階段開設量子信息科學專業,會起到引領的作用,以后一個專業也會發展成一個系、甚至一個院,這是今后的發展方向。”郭國平說,本科階段只是打定一個基礎、選定一個方向。真正要從事這方面工作還得在碩博時期進一步深造。

“例如量子計算的研制屬于巨型系統工程,涉及眾多基礎產業和工程實現環節,需要大量跨專業人才。高度的復雜性與前沿性讓精通量子計算的專業人才在全球范圍內都屬于稀缺資源。當前,不論高校、企業,還是政府,都意識到了量子計算發展遇到的人才瓶頸。”郭國平說,此時新增量子信息科學本科專業很及時,也十分必要,也反映出國家對量子科技產業的重視。正可謂:國之所需,少年所行!

應更加注重產業的牽引和融入

“這個專業的核心課程當然會包含一些量子信息的前沿課程,比如量子信息實驗、量子通訊和密碼、量子計算機科學等。”郭國平認為,本科階段應該打好基礎,首先要學好基礎課程,比如信息學、量子力學、量子信息導論等,還應當掌握好數學這一基礎工具,比如線性代數等。

“國家著眼科技發展布局,在本科階段開設量子信息科學專業,從人才的培養角度來講,開始進行專業的引領,研究生的招生基數就會大很多,各層次人才都會得到極大的補充和培養。”郭國平說,這就像招收飛行員,從初中、高中就開始選拔,以后培養出王牌飛行員的機會就多了。

在他看來,培養量子信息科學專業的人才,應更加注重產業的牽引和融入。“比如我們讓金融學院的學生來選修量子信息專業的課程,以后他就會把量子計算用到金融領域。”郭國平說,國際上IBM和谷歌早已跟各類高校合作培養包括量子信息在內的人才。

對標IBM、谷歌做的事情,我國的一些量子企業如本源量子等,已經制作出2000多分鐘的在線視頻課,并且出版了專門的量子計算、量子編程教材等。“我們跟國際上相比,最大的差異是沒有注重融入產業的因素。”郭國平認為,新開設的量子信息科學專業應當走融合發展、共建專業的道路,讓從事量子技術的企業介入。量子信息是一個全新的東西,只有站在產業最前沿,才會明白哪些是最有用的、方向在哪里,更需要培養什么樣的技能。

“既然是新開設專業,就不妨從辦學理念、課程設置、培養方向等方面進行新的探索。”郭國平認為,新設專業應當與國內量子龍頭企業探索融合共建,甚至實行雙導師制,加強與產業界的互動。

習近平總書記強調,要系統總結我國量子科技發展的成功經驗,借鑒國外的有益做法,深入分析研判量子科技發展大勢,找準我國量子科技發展的切入點和突破口,統籌基礎研究、前沿技術、工程技術研發,培育量子通信等戰略性新興產業,搶占量子科技國際競爭制高點,構筑發展新優勢。“讓量子科技滲透到國民經濟主戰場各個領域,那才是搶占量子科技國際競爭制高點的本質內涵。”郭國平說。

(本報記者 吳長鋒)

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