亞原子世界的受控力量可能很快顛覆現代計算產業。量子計算機在新聞中隨處可見，而為它們提供理論基礎的基礎性工作甚至贏得了去年的諾貝爾物理學獎。
但是你可能聽不到它們的一個地方是在物理課堂裡。如果我們希望培養具有技術素養的人口，併為這個新興領域培養勞動力，那麼這種情況需要改變。
什麼是量子計算機？與你桌子上的計算機不同，後者將單詞或數字編碼為稱為“位元”的 1 和 0 的集合，量子計算機依賴於量子位元或“qubit”，它們更像，嗯，不確定（這讓愛因斯坦感到懊惱）。與位元不同，量子位元為其 1 和 0 分配權重，更像你如何定製灌鉛骰子，這意味著測量任何一個數字都存在機率。它們缺乏確定的值，而是體現了兩種狀態的一部分，直到你測量它們。量子演算法在這些量子位元上執行，並且理論上，透過擲這些灌鉛骰子來執行計算，導致它們的機率相互干涉，並增加它們找到理想解決方案的機率。最終的希望是，諸如分解龐大數字之類的數學運算，現在一臺計算機需要數十億年才能完成，但在量子計算機上只需要幾天。
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這種新的計算方式可以破解經典處理器無法解決的難題，從而在從藥物發現到人工智慧等各個領域開闢新的前沿。但是，今天的物理課程並沒有讓學生接觸量子現象，而是旨在從物理 ABC 開始——引人入勝的主題，例如滑輪上的繩索和傾斜的平面——雖然學生當然需要了解基礎知識（牛頓和麥克斯韋與薛定諤的貓並存是有空間的），但應該花時間將他們正在學習的內容與最先進的技術聯絡起來。
這很重要，因為量子計算不再是一項科學實驗。來自 IBM（我的僱主）、谷歌和其他行業參與者的技術演示證明，有用的量子計算即將到來。然而，量子工作者的供應仍然非常少。麥肯錫 2021 年的一份報告預測，人才嚴重短缺——空缺職位數量超過合格申請人數量約 3 比 1——至少在十年末之前不會得到解決。該報告還估計，美國量子人才庫將遠遠落後於中國和歐洲。中國已宣佈迄今為止最多的公共資金，是歐盟政府投資的兩倍多，分別為 153 億美元和 72 億美元，是美國政府投資的八倍多。
值得慶幸的是，情況開始發生變化。大學正在更早地讓學生接觸曾經令人恐懼的量子力學課程。學生們也在透過非傳統的方式學習，例如 YouTube 頻道或 線上課程，並尋找 開源社群來開始他們的量子之旅。現在正是時候，因為對量子技術嫻熟的科學家、軟體開發人員甚至商科專業學生的需求正在飛速增長，以填補科學人才管道。我們不能繼續等待這些學生中的每一個人都獲得博士學位，這在該領域現在是常態，需要六年或更長時間。
學校終於開始回應這種需求。例如，一些大學正在提供量子計算的非博士課程。近年來，威斯康星大學和加州大學洛杉磯分校迎來了首批次子資訊碩士學位學生的入學，他們參加了為期一年的強化課程。加州大學洛杉磯分校最終招收了比大學預期的規模更大的班級，這表明了學生的需求。匹茲堡大學採取了不同的方法，推出了一個新的本科專業，將物理學和傳統計算機科學相結合，以滿足對四年制課程的需求，該課程為學生就業或繼續深造做好準備。此外，俄亥俄州最近成為第一個將量子培訓新增到其 K-12 科學課程的州。
最後，教授們開始將動手、以應用為重點的課程納入他們的量子課程。世界各地的大學開始使用 Qiskit、Cirq 和其他開源量子程式設計框架教授課程，讓他們的學生透過雲在真實的量子計算機上進行實驗。
有些人質疑這項倡議。我聽過懷疑論者問，在一個尚未完全實現的技術中培養新一代學生是否是個好主意？或者，試圖向如此年輕的學生教授量子物理學真的能獲得什麼？
這些問題是合理的，但請考慮：量子不僅僅是一項技術；它是一個支撐化學、生物學、工程學等領域的學科；量子教育的價值不僅僅在於計算。如果量子計算確實成功了——我認為它會成功——那麼如果更多人理解它，我們將會有更好的發展。
國家量子協調辦公室主任查爾斯·塔漢曾經告訴我，量子技術是未來，量子計算教育就是 STEM 教育。並非所有這些學生最終都會直接進入量子行業，這反而更好。他們可能會在相關的科學或工程領域工作，例如光纖或網路安全，這些領域將從他們對量子的瞭解中受益，或者在商業領域，他們可以根據對技術的理解做出更好的決策。
在我的工作中，我每天都與學生談論量子技術。我瞭解到，最重要的是，他們渴望學習。量子顛覆了我們對現實的認知。它吸引人們並讓他們留在那裡，就像 NASA 和登月對天體物理學所做的那樣。我們應該傾向於吸引學生注意力的事物，並塑造我們的課程和課程以滿足這些願望。
對於那些適應新興量子時代的學校來說，核心資訊很簡單：不要低估你的學生。有些人可能會聽到“量子”這個詞就畏縮，擔心它超出了他們的理解範圍。但我遇到過高中生和中學生，他們輕鬆掌握了這些概念。當我們用多年的滑輪和滑塊將這門學科擋在門外時，我們怎麼能期望年輕學生追求這門學科呢？大學應該更早地在課程中引入量子資訊，而 K-12 學校不應迴避在早期引入一些基本的量子概念。我們不應該低估學生，而應該相信他們會告訴我們他們想學什麼——為了他們自己和所有科學的利益。如果我們稍有拖延，我們都將失去量子可能為我們的經濟、技術和未來產業帶來的巨大益處。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。
本文的一個版本，標題為“面向 K-12 的量子物理學”，已改編收錄在 2023 年 9 月號的《大眾科學》雜誌中。