物理基础教学计

近期，华中师范大学物理科学与技术学院依托国仪量子金刚石量子计算教学机开设的《量子信息技术基础》实验课程正式开课。课程现场01量子技术发展背景&现状2014年，英国《自然》杂志吹响“第二次量子革命”的号角。以量子信息技术为代表的量子调控，是量子力学的最新发展，其带来了“第二次量子革命”。人类对量子世界的探索已从单纯“探测时代”走向主动“调控时代”，成为解决人类对能源、环境、信息等需求的重要新手段、新技术。2018年9月，美国发布了量子信息发展国家战略书，特别强调了量子技术和量子科技在国家战略中的重要性。欧盟从2018年开始，投入10亿欧元实施“量子旗舰”计划。英国早在2014年就发布了量子科技发展蓝图并在牛津大学等高校建立量子研究中心，投入约2.5亿美元培养人才。2016年，我国发布了《“十三五”国家科技创新规划》，其中强调了量子技术发展的重要性，量子通信与量子计算被列为“十三五”科技规划100项重大技术与工程项目的前三位。日前，中共中央政治局也专门就量子科技研究和应用前景举行了第二十四次集体学习，中共中央总书记习近平在学习中特别指出，要培养造就高水平人才队伍。要加快量子科技领域人才培养力度，加快培养一批量子科技领域的高精尖人才，建立适应量子科技发展的专门培养计划，打造体系化、高层次量子科技人才培养平台。2019年10月谷歌公司发布论文宣称已成功演示“量子霸权”，引来中外媒体纷纷报道，其研发的量子系统只用了约200秒就完成了经典计算机大约需要1万年才能完成的计算任务，这一划时代的技术进展是量子计算研究也是量子技术应用的一个重要里程碑。IBM亦成功研制50多比特的量子计算机原型，虽然技术离真正付诸实用尚需时日，但美国已经在考虑对量子计算等技术领域设置出口禁令，我们不禁要问中国如何在未来的量子技术应用领域不被外国“卡脖子”并实现领先？02量子教育量子技术应用广泛现阶段，与量子技术快速发展不相适应的是，我国量子技术从业人员严重缺乏，工程技术人员对量子技术的理解不够深入、实操能力不足，这些已严重限制该技术发展和应用。人才的匮乏源于教育的缺失，更源于教育方式的桎梏，虽然目前很多高校开设了量子力学相关课程，但是现有的课程和教材从思维模式和体系结构上，大多侧重讲述物理原理和基础方案的验证性实验，缺乏类似工科专业教学的案例、教材和实验资源。“物理定律不能单靠“思维”来获得，还应致力于观察和实验。—— 普朗克”量子力学的教育，离不开量子理论和实验的紧密结合。推进量子力学学科建设，完善和创新学科教学内容、教学方法、教学手段，不仅符合我国建设量子技术科技强国的国家需求，还能解决高校量子技术相关应用型人才培养的实际问题。03华中师范大学物理科学与技术学院教学机开课华中师范大学物理科学与技术学院源于1903年文华大学物理系，弦歌百年，蜚英腾茂。建系早期，一批从国外归来的著名学者曾先后在这里任教和从事科学研究。他们言传身教，筚路蓝缕30年，奠定了华中师范大学物理学科的基础。物理科学与技术学院的物理学专业是国家高等学校特色专业、湖北省高校本科品牌专业，是国家理科（物理学）基础科学研究和教学人才培养基地。学院以建设“国内一流，国际知名学院”为目标，注重加强课程建设与教学改革，大力促进人才培养模式的创新。华中师范大学物理科学与技术学院学校一直非常重视本科生的物理实验教学，鼓励教师拓展实验内容，开发新的实验项目。物理实验中心副主任吴青林老师了解到我们金刚石量子计算教学机设备后，就积极与我们进行联系。国仪量子也依据专业技能及经验积极配合华中师范大学物理科学与技术学院做好课程开设相关工作，并基于其发展特色课程定位提供了定制服务。培训&开课现场华中师范大学物理科学与技术学院将基于金刚石量子计算教学机的实验课程命名为《量子信息技术基础》，目前国仪量子已完成对授课老师的开课前培训，将会在本学期面向第四学年第一学期的物理学专业学生开课，该课程作为四级实验开设在大学物理实验中心，课程设计为16个学时，计1学分。实验课程本学期一经推出就受到学生的热情关注，同学们普遍表示通过教学机生动形象的实验课程学习，让他们更加深入理解了量子力学的相关知识，课程的开设得到了学校师生的一致好评。04金刚石量子计算教学机简述金刚石量子计算教学机是国仪量子为了更好地促进量子力学和量子计算相关的教学，推出的全球首款、面向大众的基于金刚石中NV色心，以自旋磁共振为原理的设备，通过控制光、电、磁等基本物理量，实现对NV色心发光缺陷的自旋进行量子操控和读出，从而实现量子计算等功能的教学仪器。该仪器可以在室温大气下运行，无需低温真空环境，使得设备有着几乎为零的运行成本，桌面型的设计让它能适应各种不同的教学环境，无论是课堂还是实验室，都能轻松进行量子力学和量子计算实验教学。不仅如此，金刚石量子计算教学机丰富的硬件模块支持学生动手搭建和调试，多功能的软件支持支持自定义脉冲序列编写。国仪量子金刚石量子计算教学机金刚石量子计算教学机可以帮助和促进高校、科研机构在开设、优化大学物理实验课、近代物理实验课、量子信息科学专业课程的相关工作，方便教师展示教学，激发学生的兴趣和想象力，提高学科水平和教学质量。基于金刚石量子计算教学机，国仪量子可以提供包括实验室建设、教学讲义、教学视频、教学课件、示范课培训等量子计算教学相关的整体配套解决方案定制服务，让学校和老师们更轻松的开设相关实验课程。此外，近期国仪经申报获批了四大类总计50项教育部高教司发布的2020年第一批产学合作协同育人项目，欢迎对入选项目感兴趣的申报高校积极与我们联系。华中师范大学量子计算实验课程的顺利开启对国内高校探索量子教育发展与应用具有十分积极的影响，对华中师范大学在量子教育的发展创新也都有重要的意义，未来，国仪量子也将与包括华中师范大学在内的国内各大高校院所共同努力、砥砺前行，为量子技术人才的培养与教育、为中国高科技的发展与创新、为量子技术科学强国做出更多贡献！

量子信息技术作为一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性创新技术，如何在日常教学中让学生理解量子信息科学的基本原理并进行基础的实验实践，成为了当前物理实验教学中的热点与难点。近期，来自复旦大学物理学系的周诗韵老师与赵铮阳同学在《物理实验》杂志上联合发表了“基于金刚石NV色心的量子调控教学实验拓展”的研究成果，基于国仪量子开发的金刚石量子计算教学机，介绍了基于金刚石NV色心体系进行量子计算的基础内容，即量子比特的初始化、调控及读出，设计并拓展了拉比振荡相关教学内容。该研究获得了教育部产学合作协同育人项目与国仪量子（合肥）技术有限公司的支持。01PHYSICS教学实验量子计算实验理论内容丰富，操作难度较大，顺利完成实验并不代表学生真正理解其内涵。因此，讨论量子计算实验内容的教学设计与拓展十分必要。研究人员以国仪量子生产的基于金刚石NV色心的量子计算实验仪为基础开展量子计算教学实验，包含两部分内容：ａ．学习基础的量子调控，了解量子计算基本知识，如量子比特的初始化、操控和读出等；ｂ．进行实际应用，学生通过实现经典的量子D-J算法，理解量子算法的优越性。研究人员基于复旦大学的教学实践，着重讨论该实验的第一部分，即量子调控部分的教学内容与方法。02PHYSICS实验拓展为更好地帮助学生理解，研究人员设计并拓展了拉比振荡相关教学内容：通过拉比振荡实验，了解微波与自旋的相互作用，熟悉量子态的初始化及读出方法；讨论拉比振荡实验中微波频率的影响，从而引出测量共振频率的方法；通过连续波实验测量共振频率，并讨论测量过程中微波时长参量对测量结果的影响；改变磁铁位置，定性展示了NV色心的系综特性，让学生了解实际仪器中如何进行参量优化。通过该教学设计，老师们可对学生进行启发式教学，引导学生主动思考，帮助学生对量子调控的原理和技术理解得更加全面，为进一步实现量子计算打下良好的基础。量子信息科学是一项由物理学、信息科学等多学科交叉融合在一起形成的新兴科学技术，具有广基础、重交叉、注重科研实践、理论实验相结合等特点。所以，在日常教学实践中让学生参与量子信息科学的实验实践，对帮助学生全面理解量子信息科学的基础——量子调控的原理和技术具有重要价值。03PHYSICS论文全文04PHYSICS《物理实验》杂志介绍《物理实验》杂志创刊于1980年，是教育部主管、东北师范大学主办的学术期刊(物理类)，是教育部物理学与天文学教学指导委员会的会刊，主要刊载物理实验成果，交流物理实验教学改革的新思想、新方法、新动态。金刚石量子计算教学机专注量子信息科学实验教学金刚石量子计算教学机是一台基于金刚石中NV色心和自旋磁共振为原理，通过控制激光、微波、磁场等物理量，对NV色心的自旋进行量子操控和读出，从而实现量子计算功能的教学仪器。该仪器在室温大气条件下运行，无需低温真空环境，使得设备有着几乎为零的运行成本，桌面型的设计让它能适应各种不同的教学环境，无论是课堂还是实验室，都能轻松进行量子力学与量子计算实验教学。金刚石量子计算教学机今年8月，金刚石量子计算教学机在第十一届全国高等学校物理实验教学研讨会上，荣获教学仪器评比一等奖。 获奖证书与现场评比情况扫描下方二维码获取论文原文注：本文部分内容摘自赵铮阳,周诗韵.基于金刚石NV色心的量子调控教学实验拓展[J].物理实验,2022,42(04)

您知道什么是光谱发射率吗？敲黑板！光谱发射率是衡量材料辐射特性的重要热物性参数，其精确测量一直是国防、航空航天、金属冶炼等领域亟待解决的关键技术问题。12月24日，河南师范大学副校长、物理学科带头人刘玉芳教授告诉大河网记者，他和所在团队长期致力于发射率测量技术研究，目前已建立了完备的低温、中温、高温及超高温材料发射率高精度测量体系，为红外隐身、飞行器热控设计、辐射测温等提供关键数据和模型，研究成果在党的十九大开幕当天作为科技类唯一新闻被央视《新闻联播》报道。关注丨河南师范大学物理学被遴选为“一流”创建学科河南师范大学物理学学科历史悠久，源远流长，是学校的优势专业，培养掌握物理学的基本理论、基本知识及实验技能，具备一定科研能力，能胜任高等学校和中学物理学教学，以及其他物理学或相关科学技术领域中科研、教学、技术和相关管理工作的高级专门人才。今年9月，在省政府举行的新闻发布会上，省教育厅党组书记宋争辉提出要实施“双一流”学科创建工程，遴选7所高校的11个学科作为“双一流”创建学科，力争新增1～2所高校进入国家“双一流”建设行列。河南师范大学两个学科被遴选为“一流”创建学科，物理学就是其中之一。一流学科是一流大学的核心和基础，建设一流大学离不开一流学科的支撑。作为“双一流”建设的“后备军”，河南师范大学物理学学科有哪方面优势？已取得哪些建设成效？未来要实现什么目标？优势丨国家首批特色专业拥有国家和省级教学科研平台7个记者获悉，河南师范大学物理学是河南省最早实现全国优秀博士学位论文、国家优秀青年基金、国家基金委重大仪器专项突破的学科。2016年全球物理学领域自然指数排名，居全国高校第38位、地方师范大学第1位、河南高校第1位；物理学在全国第四轮学科评估中为B，排名居国内地方师范大学第2位、河南省高校第1名。“前沿物理与清洁能源材料”学科群于2015和2020年先后入选河南省特色优势学科（群）A类和特色骨干学科（群）建设A类，在河南省优势特色学科期满评价中位居特色类学科第1名、全省所有35个优势特色学科第3名。据刘玉芳介绍，学科拥有国家级物理实验教学示范中心、动力电源及关键材料国家地方联合工程实验室、河南省光伏材料重点实验室、河南省红外材料光谱测量与应用重点实验室、河南省光电传感集成应用重点实验室、光电子技术及先进制造河南省工程实验室、河南省高等学校学科创新引智基地等国家和省级教学和科研平台7个。物理学专业是国家首批特色专业、国家一流本科专业建设点、河南省专业综合改革试点专业，通过教育部首批师范专业二级认证。对标丨形成三大优势服务重大科学工程、航空航天和新能源行业今年3月份，教育部就“双一流”建设成效评价工作答记者问，明确指出成效评价考察内容的框架，指出核心性维度是“双一流”建设总体方案五大建设任务和五大改革任务的集中综合反映。学科建设评价，设人才培养、科学研究、社会服务、教师队伍建设四个方面。对标“双一流”建设成效评价考察核心性维度，河南师范大学物理学学科建设情况如何？刘玉芳称，学科坚持以先进的物理基础研究引领学科高质量发展的建设理念，采取构建以方向团队为抓手的学科运行管理机制，实行以目标任务为牵引的学科资源配置机制，完善以绩效贡献为导向的学科考核激励机制，实施以青年教师为核心的学科能力提升计划等具体措施，既注重前沿物理基础理论创新，又关注国家及区域发展重大需求，若干研究成果居国内领先水平，并已形成学科三大优势。在重大科学工程上，粒子物理团队致力于标准模型精确检验、新物理寻找等重大科学问题研究，作为“北京正负电子对撞机”（BES-III）和“超级 B 工厂”（Belle-II）国际合作组成员，承担数据分析任务，在国际上首次发现Zc(4020)新粒子，开辟了中性类粲偶素结构研究新领域；在新物理方面的研究为大型强子对撞机和锦屏地下暗物质探测实验提供理论支撑，得到暗物质性质最强限制，实现暗物质探测新突破；在重味物理方面的理论研究与 Belle-II 实验密切关联。近五年，团队成果被《Particle Data Book》采用 12 次，被国际大科学实验合作组引用 50 多次。在航空和航天领域，光谱测量团队主持的国家重大科研仪器研制项目“低温光谱发射率测量实验装置”，解决了发射率测量中的一些关键技术难题，建立了完备的高精度光谱发射率测量体系，实现国内高温最高（3000K）、低温最低（213K），为航空航天等提供了核心数据和模型。研究成果为我国航天工业和基础研究提供了重要的技术支持，推动了光谱发射率测量技术的标准化进程。在新能源行业方面，学科与河南电池研究院等10余家企业合作。与新乡市中科科技有限公司合作开发的高安全隔膜材料，已形成年产2亿平方米的生产能力，产品质量处于行业领先地位。与河南锂动电源有限公司合作开发的动力锂离子电池，形成年产2GWh的生产能力，产品供应东风、中铁、中隧等国内知名企业。研发出第二代动力锂离子电池体系，获国家 863 计划等项目支持；为新乡获得“中国电池工业之都”美誉做出贡献。同时，学科尤其注重人才培养。学科站位“为党育人，为国育才”的政治高度，落实立德树人根本任务，充分发挥师资力量雄厚、科研平台先进、人才培养体系完备的优势，全面提高人才培养质量。办学历史上培养出张统一中科院院士，张新民、刘玉鑫、刘峰奇、杨金民、杨亚东、李海波等一批具有重要影响或取得卓越成就的国家级人才，还培养了一批中学教学名师、名校长。目标丨聚焦高能物理等前沿基础物理问题集中资源开展红外光谱测量等方向应用基础研究今后，学科将紧紧围绕国家和河南省的战略需求，瞄准物理前沿，推进学科交叉融合，凝练目标、强化优势、努力聚焦高能物理和核物理、光学和凝聚态物理研究领域中前沿基础物理问题；集中资源开展红外光谱测量、半导体物理与器件等方向的应用基础研究，深化科教融合和产教融合，实现学科发展与产业链、创新链、人才链相互匹配、相互促进，加快科技成果转化，为河南省建设国家创新高地作出重要贡献。具体来说，将优化学科研究方向，推进学科交叉融合。聚焦高能物理和核物理、光学、凝聚态物理研究领域中前沿基础物理问题，开展红外光谱测量、量子调控，半导体物理与器件方向的应用基础研究，积极推进红外光谱测量协同创新中心和红外光电测试技术创新联盟建设，服务河南省装备制造、新能源材料和智能传感等产业发展。如何汇聚高端创新人才，引领一流学科发展？刘玉芳指出，将通过加强领军人才的引进和培育，加快实施青年才俊发展计划，做强做大博士后人才蓄水池。组建以领军人才为核心的科研创新大团队，以团队为单元进行评价考核与资源配置，以重大科研任务和区域产业发展实际问题为牵引。力争“十四五”时期，学科引育领军人才3-5人，建设科研创新团队5-7个，引领一流学科发展。还将优化整合现有资源，重点建设高能物理和核物理研究中心、红外光谱测量与应用中心、量子调控实验中心、半导体物理与器件中心等高端实验平台，提升科研创新能力和水平，培育建设河南省光谱测量与光电器件实验室，力争实现国家级平台突破。“此外，突出优势特色，培育实施一流课题10个左右，力争产出一批可以领跑或并跑的高水平科研成果，着力攻关解决红外光谱测量、半导体物理等领域在先进金属冶炼和智能传感等产业中的‘卡脖子’关键技术问题。” 刘玉芳说。