CC BY
50
► НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБРАЗОВАНИИ
ВВЕДЕНИЕ КУРСА КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ В ПРОГРАММУ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ, СПЕЦИАЛИЗИРУЮЩИХСЯ НА ИЗУЧЕНИИ ИНФОРМАТИКИ
THE NECESSiTY OF iNTRODUCiNG THE QUANTUM MECHANiCS COURSE iN THE CURRiCULUM OF STUDENTS MAJORiNG iN COMPUTER SCiENCE
Бадаев Юрий Леонидович
Доцент кафедры прикладной информатики и дискретной математики Московского педагогического государственного университета E-mail: y-badaev@mail.ru
Badaev Yuri L.
Assistant professor of the Department of Applied Computer Science and Discrete Mathematics, Moscow State Pedagogical University
E-mail: y-badaev@mail.ru
Аннотация. В связи с появлением новых компьютерных технологий, использующих квантовые эффекты, возникла необходимость детального изучения квантовой механики студентами, изучающими информатику.
Ключевые слова: квантовая механика, компьютерные технологии, общая и теоретическая физика.
Abstract. Due to the advent of new computer technologies using quantum effects, there is a need for a detailed study of quantum mechanics by students of computer science.
Keywords: quantum mechanics, computer technology, General and theoretical physics.
Бадаев Ю. Л. | Введение курса квантовой механики в программу обучения студентов...
Конец ХХ и начало XXI вв. ознаменовались стремительным развитием компьютерных технологий. Компьютеры прочно вошли во все сферы жизнедеятельности человека. На рынке ежедневно появляются новые и более совершенные программные продукты. Ученым и инженерам приходится постоянно совершенствовать аппаратную часть, которая могла бы удовлетворять ресурсным требованиям новейшего программного обеспечения. Но если программы можно совершенствовать практически неограниченно, то сама аппаратная часть, основанная на классических цифровых технологиях микроэлектроники, подходит к верхнему пределу своих возможностей. Развитие микроэлектроники идет по пути уменьшения физических размеров элементов микросхем и увеличения их количества на одной микросхеме, что и позволяет увеличивать производительность компьютеров.
Но бесконечно уменьшать размеры элементов нельзя. Рано или поздно станет невозможным увеличивать быстродействие этим способом, что и привело к необходимости создания новых технологий, основанных на иных принципах. Активно развивается такое направление, как спинотроника. Ведутся разработки в области создания квантового компьютера, за которым и видится будущее компьютерных технологий. Учитывая опыт XX в., когда то, что вчера казалось невозможным, буквально через год-два становилось вполне реальным, и скорость, с какой развивались компьютерные технологии, можно с уверенностью констатировать, что всего через несколько лет квантовый компьютер полностью вытеснит те приборы, которыми человечество пользуется сегодня, подобно тому как перфокарты и дискеты, о которых сейчас мало кто помнит, были вытеснены флеш-ками и компакт-дисками.
Однако квантовый компьютер будет работать уже на иных принципах. Используемые при его создании принципы уходят в область квантовой механики, которая является разделом теоретической физики и методами общей физики изучена быть не может. И тогда специалисты в области программирования окажутся в ситуации, когда им будет не хватать знаний основ и принципов работы квантового компьютера. Познания в области квантовой механики будут крайне необходимы компьютерщику XXI в.
К великому сожалению, много лет в программу подготовки студентов по информационным направлениям в системе ВПО не входила даже общая физика. И только в последнее время она включена в учебные планы, хотя и в крайне недостаточных объемах. Но именно физика и математика формируют образ мышления технического специалиста, так как развивают способности находить нестандартные решения тех или иных задач, а не действовать по шаблону. Но, как указано выше, компьютерщику XXI в. будут необходимы знания в области теоретической физики.
Взаимодействовать с квантовой системой можно, только хорошо понимая основы квантовой механики, описанные ее специфичным математическим аппаратом, как то понятия об амплитудах вероятности, собственных функциях, состояниях, значениях и линейных операторах. Специалист должен понимать, что такое статистика Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Понятие о спине электрона как о вращающемся волчке тут не годится! Нужно понятие о спинорах, необходимы понятия о волновых пакетах, редукции волновых пакетов, понятие о коммутаторе операторов и его связи с соотношением
НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБРАЗОВАНИИ
неопределенностей. Методами классической физики, которую студенты информационных специальностей проходят в университетах, это изучить невозможно.
Перед преподавателем, который начнет рассказывать на лекции о квантовых компьютерах, встанет большая проблема. Как объяснить студенту, что такое кот Шрединге-ра, что такое суперпозиционное состояние или что такое q-бит, если квантовая механика сама по себе является наукой не материалистичной и весьма сложной для понимания, ломающей все представления человека об окружающем мире. Даже такие великие ученые, как Шредингер, придумавший своего знаменитого кота, чтобы продемонстрировать абсурдность квантовой механики, и Эйнштейн, который так и умер, не приняв новых идей, испытывали сложности с ее восприятием. А в настоящее время на законах квантовой механики строятся компьютеры, и обычному программисту крайне необходимо знание ее основ для взаимодействия с квантовыми системами. Даже элементарные технические характеристики будущих компьютеров будут наверняка содержать квантовые понятия, о которых специалист должен иметь представление.
Характерным примером, показывающим, как незнание основ научной дисциплины приводит к определенным трудностям, является неспособность людей старшего поколения пользоваться современными гаджетами, такими как мобильный телефон или банкомат, не говоря уже о компьютерах. Изучение информатики в школах в нашей стране было введено в 1980-х гг. Для тех, кто учился до введения информатики, понятие диалогового режима и кнопки ENTER остается загадкой, что и приводит к вышеуказанным трудностям, с которыми легко справляется любой дошкольник. Можно предположить возникновение аналогичной проблемы взаимодействия уже с квантовыми компьютерами у тех, кто не знает основ квантовой механики. Причем данная трудность может возникнуть не у рядовых пользователей, а именно у разработчиков программного обеспечения, каковыми и станут в будущем студенты информационных специальностей.
Способом решения вышеуказанной проблемы является введение в программу обучения курса квантовой механики на 3-м или 4-м курсах, поскольку это целесообразно после изучения полного курса общей физики и математики. Однако изменение учебных программ и ФГОСов потребует немалого времени, поэтому изучение основ квантовой механики можно включить в состав одной или нескольких дисциплин информационного блока, изучаемых студентами на сегодняшний день, несколько изменив УМК по данной дисциплине, или ввести квантовую механику в качестве курса по выбору для продвинутых студентов на время до введения этой дисциплины в основную программу.
Изучение основ квантовой механики позволит будущим специалистам в области информационных технологий идти в ногу со временем. Современный уровень развития научно-технического прогресса подошел к тому рубежу, когда эти знания переходят из области знаний специальных, необходимых лишь узкому кругу специалистов по ядерной физике, в область знаний мировоззренческих, необходимых рядовому инженеру или программисту для понимания самой сути взаимодействия с квантовыми компьютерами. И сейчас настало время, когда введение подобной дисциплины в учебную программу
Бадаев Ю. Л. | Введение курса квантовой механики в программу обучения студентов.
видится крайне необходимым, чтобы идти в ногу со временем и к моменту массового распространения принципиально новых компьютерных технологий иметь достаточное количество хорошо подготовленных высококвалифицированных специалистов, способных эти технологии успешно развивать и продвигать.
Интернет-журнал «Проблемы современного образования» 2016, № 1
