CC BY
53
УДК 378.4
Ismailova N.P., Cand. of Sciences (Physics, Mathematics), North Caucasus Institute, Branch of All-Russian State University of Justice (Makhachkala, Russia),
E-mail: ism_nup@mail.ru
QUANTUM TECHNOLOGIES IN EDUCATION: NEW PERSPECTIVES AND CHALLENGES. Modern professional education is faced with the need to adapt to rapidly changing technological trends. Digital quantum transformation of education is becoming an increasingly pressing issue in the modern educational context. The article examines the prospects and challenges of using quantum technologies in modern education. The author notes that quantum technologies are at an early stage of development, and their implementation in education may require quite a lot of time and resources. Likewise, teachers and students may encounter difficulties associated with mastering new concepts, educational programs and tools of quantum technologies. Therefore, it is necessary to develop adapted programs and educational materials for more effective use of quantum technologies in the field of professional and higher education. To this end, it is necessary to involve representatives of companies and employers in the development of the program and consult with them about the requirements and results of the training. For professionally oriented training, students must be included in the training program for educational, industrial internships, internships and projects with real customers.
Key words: quantum technologies, quantum communications, quantum programming, quantum cryptography, quantum modeling, quantum software products, secure information educational environment
Н.П. Исмаилова, канд. физ.-мат. наук, Северо-Кавказский Институт (филиал) Всероссийского государственного университета юстиции,
г. Махачкала, Е-mail: ism_nup@mail.ru
КВАНТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СФЕРЕ ОБРАЗОВАНИЯ: НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ И ВЫЗОВЫ
Современное профессиональное образование сталкивается с необходимостью адаптироваться к быстро изменяющимся технологическим трендам. Цифровая квантовая трансформация образования становится все более актуальной проблемой в современном образовательном контексте. В статье рассматриваются перспективы и вызовы применения квантовых технологий в современном профессиональном образовании. Автор отмечает, что квантовые технологии находятся на ранней стадии развития, и их внедрение в образование может потребовать достаточно много времени и ресурсов. Также преподаватели и студенты могут столкнуться с трудностями, связанными с освоением новых концепций, образовательных программ и инструментов квантовых технологий. Поэтому необходимо разработать адаптированные программы и учебные материалы для более эффективного использования квантовых технологий в сфере профессионального и высшего образования. С этой целью необходимо привлекать представителей компаний и работодателей в процесс разработки программы и консультироваться с ними по поводу требований и результатов подготовки. Для профессионально ориентированной подготовки студентов необходимо включать в программу подготовки образовательных, производственных практик, стажировок и проектов с реальными заказчиками.
Ключевые слова: квантовые технологии, квантовые коммуникации, квантовое программирование, квантовая криптография, квантовое моделирование, квантовые программные продукты, безопасная информационная образовательная среда
Квантовые технологии стремительно входят в нашу жизнь и необратимо изменяют ее в сторону технологического прогресса. Они делают наше общество более устойчивым и безопасным. Масштабы изменений трудно прогнозировать на сегодняшнем достаточно раннем уровне развития. Но даже на этом уровне развития мы можем говорить о неизбежном квантовом превосходстве в науке, технологии, образовании. В основе квантовых технологий лежат квантовые компьютеры, которые обеспечили новый виток в эволюции компьютерных технологий.
Если наша образовательная система будет медлить с их применением, мы можем остаться за бортом прогрессивного развития общества. Квантовые технологии требуют не только трансформации в образовательной системе, но и создания новых моделей обучения и поддержки новаторских идей и разработок. Квантовые технологии предлагают новые возможности для создания безопасной образовательной среды, улучшения образовательного процесса, визуализации сложных концепций, обеспечивая более эффективное и глубокое усвоение знаний, развитие критического мышления и аналитических навыков у студентов [1]. Внедрение квантовых технологий в образование позволит готовить студентов к новым возможностям в области науки, технологий, квантовой инженерии и квантового программирования.
Цель исследования: изучение влияния квантовых технологий на образовательный процесс.
Задачи исследования:
- анализ улучшения качества образования на основе применения квантовых технологий,
- развитие когнитивных навыков и творческого мышления студентов,
- оценка эффективности квантовых технологий в образовании,
- выявление проблем, связанных с использованием и внедрением квантовых технологий в образовательных учреждениях.
Научная новизна заключается в разработке адаптивных программ и методик использования квантовых технологий в образовательных учреждениях; в исследовании уровня готовности образовательной системы к внедрению кантовых технологий. Предложено ввести в учебный процесс специализированный курс по выбору и предоставить студентам возможность выбрать эти курсы в качестве дополнительных или специализированных предметов по квантовой информатике, квантовой криптографии.
Теоретическая значимость исследования: проведенное исследование может создать основы для дальнейшего изучения и разработок по данной теме.
Практическая значимость данного исследования: для успешного применения квантовых технологий в образовании в рамках программы цифровой трансформации образования в СКИ ВГУЮ (РПА Минюста России) разработаны и проведены лекции и семинары для студентов и преподавателей с приглашением ведущих специалистов, инженеров, преподавателей инженерной физики Дагго-
суниверситета по основам квантовой физики, базовых принципов квантовых технологий. Предложено ввести специализированный курс по выбору и предоставить студентам возможность выбрать эти курсы в качестве дополнительных или специализированных предметов по квантовой информатике, квантовой криптографии. Эти лекции базировались на серии лекций MIT Quantum Computing for the Determined (ttpsV/quantum.country/qcvc). Они проводились с целью вовлечения студентов в исследовательскую деятельность по квантовым технологиям, участия в проектах, стартапах и исследовательских программах, проводимых научными группами, лабораториями, работающими в СКИ ВГУЮ (РПА Минюста России).
Квантовые технологии открывают огромные перспективы применения в образовании. Выделим основные, на наш взгляд, направления:
1. Квантовые коммуникации. Обеспечение безопасной передачи информации и обмена знаниями в информационной образовательной среде [2].
2. Доступ к квантовым лабораториям для проведения экспериментов при использовании удаленного управления и обмена квантовыми данными.
3. Развитие квантового программирования. Использование квантовых алгоритмов в образовательных целях и внедрение квантового программирования в учебный процесс позволит обучать студентов программированию и решению сложных задач на квантовых компьютерах.
4. Улучшение расчетных, аналитических и прогностических возможностей. Квантовые компьютеры могут обрабатывать данные с большой скоростью. Это позволит студентам, преподавателям, ученым проводить более сложные математические, физические расчеты, задачи прогнозирования квантовых процессов и явлений. Квантовые технологии могут быть использованы для решения сложных задач и создания новых инновационных решений в различных областях человеческой деятельности.
5. Развитие квантовой криптографии. Квантовое шифрование и аутентификация могут быть использованы для обеспечения конфиденциальности и целостности данных [3]. Квантовая криптография может быть использована при безопасной передаче результатов сдачи ОГЭ, ЕГЭ. Обучение студентов квантовой криптографии позволит им изучать основные принципы и развивать навыки работы с современными системами шифрования и кодирования информации.
6. Квантовое моделирование. Это процесс создания и использования моделей, основанных на принципах квантовой физики, для описания и анализа процессов и явлений. Квантовое модерирование описывает процессы на основе квантовых состояний, волновых функций, суперпозиции состояний и взаимодействия. Квантовое моделирование может быть применено в различных областях науки и техники, в частности для моделирования квантовых систем и процессов. Студентам необходимо изучить основы квантового моделирования, программные инструменты для его реализации [4]. Некоторые из них включают в себя квантовые компьютерные пакеты, такие как MatLab, Python, Qiskit и другие.
7. Квантовая телепортация и квантовая связь могут обеспечить мгновенную и надежную передачу данных между учебными заведениями и участниками образовательного процесса, даже если они находятся на значительном расстоянии друг от друга [5].
Следует отметить, что квантовые технологии находятся на ранней стадии развития, и их внедрение в образование может потребовать достаточно много времени и ресурсов. Также преподаватели и студенты могут столкнуться с трудностями, связанными с освоением новых концепций, образовательных программ и инструментов квантовых технологий. Поэтому необходимо разработать адаптированные программы и учебные материалы для более эффективного использования квантовых технологий в сфере среднего профессионального и высшего образования [6].
Министерству высшего образования и науки РФ необходимо разработать ФГОС в области квантовых коммуникаций. Проблема дефицита кадров стоит остро во всей ИТ-индустрии по многим направлениям. В то же время одной из отличительных черт современного образования является практикоориен-тированность, изучение и анализ рынка труда и подготовка соответствующих специалистов [7]. При формировании образовательных программ необходимо максимально учесть запросы работодателя. Для уменьшения зазора между студентами и работодателем в образовательных программах рекомендуется использовать следующие подходы:
В первую очередь необходимо привлекать представителей компаний и работодателей в процесс разработки программы и консультироваться с ними по поводу требований и результатов подготовки. Это поможет учебным заведениям учесть актуальные потребности рынка труда и подготовить выпускников, которые будут соответствовать требованиям работодателей.
Во-вторых, для практической подготовки студентов необходимо включать в программу подготовки образовательных, производственных практик, стажировок и проектов с реальными заказчиками.
В-третьих, образовательные программы должны быть гибкими и быстро реагировать на изменения в требованиях работодателей. Необходимо также включать в программы возможность дополнительного обучения и повышения квалификации. В условиях быстрого развития квантовых технологий и требований рынка труда необходимо обновлять программы регулярно.
Применение квантовых технологий в образовании сдерживается рядом проблем, с которыми сталкиваются образовательные учреждения, а именно:
- ограничением доступности, квантовые технологии требуют доступа к специализированным вычислительным ресурсам, квантовым компьютерам, что может быть недоступным для многих учебных заведений из-за дороговизны;
- недостаточной разработанностью учебного материала по квантовым технологиям, что может затруднить процесс обучения;
- высокая стоимость квантовых компьютеров, квантовых технологий, это является серьезной проблемой для учебных заведений с ограниченным государственным финансированием;
Библиографический список
- лимитированное количество специалистов в данной сфере - мало специалистов, которые могли бы разработать образовательные программы и эффективно обучать студентов, готовить специалистов по квантовым технологиям.
В апреле 2024 года будет проведена научно-практическая конференция «Квантовые технологии и новые вызовы», в которой будут обсуждены последние достижения, перспективы и проблемы в области квантовых технологий. Целью данной конференции является предоставление площадки для ученых, инженеров, специалистов в данной области, а также юристов. Применения квантовых технологий диктует необходимость решения ряда правовых вопросов и вызовов, связанных с их разработкой, использованием и распространением [8]. Наиболее сложными из них являются вопросы защиты интеллектуальной собственности в области квантовых технологий, патентование квантовых алгоритмов, компьютерных программ и устройств, кибербезопасности. Квантовые компьютеры представляют угрозу взлома существующих криптографических систем и информационной безопасности. Все эти вызовы требуют неотлагательного правового регулирования и разработки законов, стандартов, норм, правил для обеспечения правовой защиты и этического использования квантовых технологий [9]. Необходимо подчеркнуть, что квантовые технологии открывают обществу уникальные возможности, но наряду с этим вызывают также и новые вызовы для правовых систем и общества в целом. Для решения этих вызовов правительства компании и академические круги должны работать совместно и гарантировать, что квантовые технологии будут использоваться на благо общества и защиту конфиденциальности и безопасности данных. Для обеспечения правового регулирования данной отрасли авторы работы [10] предлагают разработать «Концепцию нормативного правового регулирования отрасли квантовых коммуникаций в Российской Федерации». На наш взгляд, важный механизмом государственного регулирования развития квантовых технологий в нашей стране является государственное финансирование поддержки проектов в сфере квантовых технологий, коммуникаций.
Проведённый анализ правового регулирования отрасли квантовых технологий, квантовых коммуникаций в России позволяет сделать вывод о том, что оно находится на ранней стадии развития и пока еще не имеет четких и общепризнанных стандартов и нормативов. Если в российском законодательстве будут созданы необходимые условия для эффективного внедрения квантовых технологий, то это, несомненно, приведет к кардинальным изменениям во всех сферах жизнедеятельности, улучшению качества жизни людей, повышению конкурентоспособности страны на международном уровне.
Однако для успешного внедрения квантовых технологий необходимо создать не только законодательную базу, но и инфраструктуру, специализированные учебные и научные центры, а также способствовать развитию научного потенциала и привлекать талантливых специалистов в данную область; активно участвовать в международных научных исследованиях, осуществляющих разработку квантовых технологий.
1. Роберт И.В. Цифровая трансформация образования: вызовы и возможности совершенствования. Информатизация образования и науки. 2020; № 3 (4У): 3-16.
2. Княжев Ф.Р Современные квантовые технологии для безопасного обмена данными. Столыпинский вестник. 2023; № 1: 189-196.
3. Корольков AE. О некоторых прикладных аспектах квантовой криптографии в контексте развития квантовых вычислений и появления квантовых компьютеров. Вопросы кибербезопасности. 2015; № 1 (9): У-13.
4. Зуев AE., Макеева ИА, Медведев ВА и др. Реализация возможностей искусственного интеллекта в образовании с применением квантовых компьютеров. Ученые записки университета им. П.Ф. Лесгафта. 2022; № 2 (204): 162-166.
5. Сухоручкина И.Н. Квантовые коммуникационные сети в инфраструктуре связи. Россия: тенденции и перспективы развития. Ежегодник. Москва, 2021: 40У-415.
6. Колоскова TA. Цифровая образовательная среда вуза как условие формирования профессиональных компетенций студентов. Вопросы методик преподавания в вузе. 2021; Т. 10, № 3У: 99-106.
У. Казаева E.A., Глухенькая Н.М., Каленова A.T Цифровизация учебного процесса в вузе: анализ динамики отношения студентов к различным формам проведения учебных занятий. Управление персоналом и интеллектуальными ресурсами в России. 2022; Т. 11, № 2: 30-34.
В. Наумов В.Б., Станковский ГВ. Правовые аспекты квантовых коммуникаций: новые горизонты. Пробелы в российском законодательстве. 2019; № 4: 235-239.
9. Полякова ТА, Минбалеев АВ., Кроткова Н.В. Развитие науки информационного права и правового обеспечения информационной безопасности: формирование научной школы информационного права (прошлое и будущее). Государство и право. 2021; № 12: 9У-10В.
10. Поляков ТА, Минбалеев AE., Наумов В.Б. Правовое регулирование квантовых коммуникаций в России и в мире. Государство и право. 2022; № 15: 104-114.
References
1. Robert I.V. Cifrovaya transformaciya obrazovaniya: vyzovy i vozmozhnosti sovershenstvovaniya. Informatizaciya obrazovaniya i nauki. 2020; № 3 (4У): 3-16.
2. Knyazhev F.R. Sovremennye kvantovye tehnologii dlya bezopasnogo obmena dannymi. Stolypinskij vestnik. 2023; № 1: 189-196.
3. Korol'kov A.V. O nekotoryh prikladnyh aspektah kvantovoj kriptografii v kontekste razvitiya kvantovyh vychislenií i poyavleniya kvantovyh komp'yuterov. Voprosy kiberbezopasnosti. 2015; № 1 (9): У-13.
4. Zuev A.V., Makeeva I.A., Medvedev V.A. i dr. Realizaciya vozmozhnostej iskusstvennogo intellekta v obrazovanii s primeneniem kvantovyh komp'yuterov. Uchenye zapiski universiteta im. P.F. Lesgafta. 2022; № 2 (204): 162-166.
5. Suhoruchkina I.N. Kvantovye kommunikacionnye seti v infrastrukture svyazi. Rossiya: tendenciiiperspektivy razvitiya. Ezhegodnik. Moskva, 2021: 40У-415.
6. Koloskova G.A. Cifrovaya obrazovatel'naya sreda vuza kak uslovie formirovaniya professional'nyh kompetencij studentov. Voprosy metodik prepodavaniya v vuze. 2021; T. 10, № 3У: 99-106.
У. Kazaeva E.A., Gluhen'kaya N.M., Kalenova A.G. Cifrovizaciya uchebnogo processa v vuze: analiz dinamiki otnosheniya studentov k razlichnym formam provedeniya uchebnyh zanyatij. Upravlenie personalom i intellektual'nymi resursami v Rossii. 2022; T. 11, № 2: 30-34.
В. Naumov V.B., Stankovskij G.V. Pravovye aspekty kvantovyh kommunikacij: novye gorizonty. Probely v rossijskom zakonodatel'stve. 2019; № 4: 235-239.
9. Polyakova T.A., Minbaleev A.V., Krotkova N.V. Razvitie nauki informacionnogo prava i pravovogo obespecheniya informacionnoj bezopasnosti: formirovanie nauchnoj shkoly informacionnogo prava (proshloe i buduschee). Gosudarstvo i pravo. 2021; № 12: 9У-10В.
10. Polyakov T.A., Minbaleev A.V., Naumov V.B. Pravovoe regulirovanie kvantovyh kommunikacij v Rossii i v mire. Gosudarstvo i pravo. 2022; № 15: 104-114.
Статья поступила в редакцию 03.02.23
