亚原子世界的受控力量可能很快颠覆现代计算产业。量子计算机在新闻中随处可见，而为它们提供理论基础的基础性工作甚至赢得了去年的诺贝尔物理学奖。
但是你可能听不到它们的一个地方是在物理课堂里。如果我们希望培养具有技术素养的人口，并为这个新兴领域培养劳动力，那么这种情况需要改变。
什么是量子计算机？与你桌子上的计算机不同，后者将单词或数字编码为称为“比特”的 1 和 0 的集合，量子计算机依赖于量子比特或“qubit”，它们更像，嗯，不确定（这让爱因斯坦感到懊恼）。与比特不同，量子比特为其 1 和 0 分配权重，更像你如何定制灌铅骰子，这意味着测量任何一个数字都存在概率。它们缺乏确定的值，而是体现了两种状态的一部分，直到你测量它们。量子算法在这些量子比特上运行，并且理论上，通过掷这些灌铅骰子来执行计算，导致它们的概率相互干涉，并增加它们找到理想解决方案的几率。最终的希望是，诸如分解庞大数字之类的数学运算，现在一台计算机需要数十亿年才能完成，但在量子计算机上只需要几天。
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这种新的计算方式可以破解经典处理器无法解决的难题，从而在从药物发现到人工智能等各个领域开辟新的前沿。但是，今天的物理课程并没有让学生接触量子现象，而是旨在从物理 ABC 开始——引人入胜的主题，例如滑轮上的绳索和倾斜的平面——虽然学生当然需要了解基础知识（牛顿和麦克斯韦与薛定谔的猫并存是有空间的），但应该花时间将他们正在学习的内容与最先进的技术联系起来。
这很重要，因为量子计算不再是一项科学实验。来自 IBM（我的雇主）、谷歌和其他行业参与者的技术演示证明，有用的量子计算即将到来。然而，量子工作者的供应仍然非常少。麦肯锡 2021 年的一份报告预测，人才严重短缺——空缺职位数量超过合格申请人数量约 3 比 1——至少在十年末之前不会得到解决。该报告还估计，美国量子人才库将远远落后于中国和欧洲。中国已宣布迄今为止最多的公共资金，是欧盟政府投资的两倍多，分别为 153 亿美元和 72 亿美元，是美国政府投资的八倍多。
值得庆幸的是，情况开始发生变化。大学正在更早地让学生接触曾经令人恐惧的量子力学课程。学生们也在通过非传统的方式学习，例如 YouTube 频道或 在线课程，并寻找 开源社区来开始他们的量子之旅。现在正是时候，因为对量子技术娴熟的科学家、软件开发人员甚至商科专业学生的需求正在飞速增长，以填补科学人才管道。我们不能继续等待这些学生中的每一个人都获得博士学位，这在该领域现在是常态，需要六年或更长时间。
学校终于开始回应这种需求。例如，一些大学正在提供量子计算的非博士课程。近年来，威斯康星大学和加州大学洛杉矶分校迎来了首批量子信息硕士学位学生的入学，他们参加了为期一年的强化课程。加州大学洛杉矶分校最终招收了比大学预期的规模更大的班级，这表明了学生的需求。匹兹堡大学采取了不同的方法，推出了一个新的本科专业，将物理学和传统计算机科学相结合，以满足对四年制课程的需求，该课程为学生就业或继续深造做好准备。此外，俄亥俄州最近成为第一个将量子培训添加到其 K-12 科学课程的州。
最后，教授们开始将动手、以应用为重点的课程纳入他们的量子课程。世界各地的大学开始使用 Qiskit、Cirq 和其他开源量子编程框架教授课程，让他们的学生通过云在真实的量子计算机上进行实验。
有些人质疑这项倡议。我听过怀疑论者问，在一个尚未完全实现的技术中培养新一代学生是否是个好主意？或者，试图向如此年轻的学生教授量子物理学真的能获得什么？
这些问题是合理的，但请考虑：量子不仅仅是一项技术；它是一个支撑化学、生物学、工程学等领域的学科；量子教育的价值不仅仅在于计算。如果量子计算确实成功了——我认为它会成功——那么如果更多人理解它，我们将会有更好的发展。
国家量子协调办公室主任查尔斯·塔汉曾经告诉我，量子技术是未来，量子计算教育就是 STEM 教育。并非所有这些学生最终都会直接进入量子行业，这反而更好。他们可能会在相关的科学或工程领域工作，例如光纤或网络安全，这些领域将从他们对量子的了解中受益，或者在商业领域，他们可以根据对技术的理解做出更好的决策。
在我的工作中，我每天都与学生谈论量子技术。我了解到，最重要的是，他们渴望学习。量子颠覆了我们对现实的认知。它吸引人们并让他们留在那里，就像 NASA 和登月对天体物理学所做的那样。我们应该倾向于吸引学生注意力的事物，并塑造我们的课程和课程以满足这些愿望。
对于那些适应新兴量子时代的学校来说，核心信息很简单：不要低估你的学生。有些人可能会听到“量子”这个词就畏缩，担心它超出了他们的理解范围。但我遇到过高中生和中学生，他们轻松掌握了这些概念。当我们用多年的滑轮和滑块将这门学科挡在门外时，我们怎么能期望年轻学生追求这门学科呢？大学应该更早地在课程中引入量子信息，而 K-12 学校不应回避在早期引入一些基本的量子概念。我们不应该低估学生，而应该相信他们会告诉我们他们想学什么——为了他们自己和所有科学的利益。如果我们稍有拖延，我们都将失去量子可能为我们的经济、技术和未来产业带来的巨大益处。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。
本文的一个版本，标题为“面向 K-12 的量子物理学”，已改编收录在 2023 年 9 月号的《大众科学》杂志中。