Квантовая наука для старшеклассников

Мэтью Йе и Дженнифер Ванг вспоминают, как изменились они после первого знакомства с научными исследованиями высокого уровня. Ага, доктор философии по прикладной физике. кандидат Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и Ван, доктор философии по электротехнике и информатике. Студент Массачусетского технологического института не рассматривал возможность получения ученых степеней, пока не принял участие в дополнительных мероприятиях в старшей школе.

«Это действительно дало мне огромное чувство творчества и свободы воли, с которым я раньше не сталкивался», — сказал Ван. «Мне впервые пришлось читать научные статьи и синтезировать много информации. Все это сбивало с толку, и никто не знал, каким будет ответ, и это было очень интересно».

Учащиеся средней школы Беллер в Техасе экспериментируют с погружением светодиодов в жидкий азот во время информационно-пропагандистской программы «Квантовые инженерные исследования и вы». (Дэниел Марк)

Теперь дуэт пытается стать наставниками, которые смогут вдохновить следующее поколение исследователей в области науки, технологий, инженерии и математики (STEM). Они начали информационно-просветительскую программу «Квантовые инженерные исследования и вы (QuERY)» на весенний семестр 2022 года и повторили ее прошлой весной, объединив старшеклассников из альма-матер Вана в Хьюстоне, средней школы Беллэр, с нынешними аспирантами и докторантами в МОРЕ и MIT. Учитель физики и доктор философии Хьюстонского университета. кандидат Джеймс Ньюленд координировал работу студентов в Беллэре. Проект частично финансируется Гарвардской квантовой инициативой, соруководителем которой является Эвелин Ху, профессор Тарр-Койн прикладной физики и электротехники в SEAS, и в исполнительный комитет которой входят девять преподавателей SEAS. Дополнительное финансирование поступает от Междисциплинарной программы квантовой информатики и инженерии Центра квантовой инженерии Массачусетского технологического института.

«Трудно сказать, что вас что-то интересует, если вы не знакомы с этим», — сказал Йе. «Часть нашей философии — использовать квантовые технологии как средство привлечения людей к STEM. Но еще одним аспектом являются отношения наставника и подопечного. Мы хотим сделать наших аспирантов и постдоков доступными в качестве ресурса, если у наших старшеклассников возникнут вопросы».

В программе используется гибридный формат, в котором студенты собираются вместе лично, а затем работают со своими наставниками-выпускниками через Zoom. Они изучают шесть различных модулей, связанных с квантовой наукой, но каждый модуль предназначен для переосмысления материала во что-то, непосредственно связанное с их повседневной жизнью.

Сегодня люди говорят о квантовой энергии так, будто это волшебная технология будущего. Но квант уже используется повсюду вокруг нас! Ваш компьютер наполнен транзисторами, использующими квантовую механику.

Студенты в конечном итоге формируют небольшие группы и разрабатывают свои собственные эксперименты, используя изученный ими материал, а затем представляют их на стендовой сессии в конце семестра в Беллере. После того, как студенты выбрали свои проекты, Ван и Йе подбирают им наставников, специализирующихся в аналогичных областях.

«Если они заинтересованы в программировании, мы предоставим им наставников, которые используют множество методов моделирования», — сказал Ван. «Это творчество и свобода действий, которые я действительно хочу видеть: возьмите имеющиеся у вас навыки, синтезируйте их с тем, чему вы научились в программе, а затем придумайте проект, которым руководит, но не руководит наставник выпускника».

Предоставление студентам права самостоятельного проведения научных исследований позволило создать широкий спектр финальных проектов, связанных с квантовыми явлениями. Учащиеся школьной группы использовали пакет программного обеспечения с открытым исходным кодом для генерации случайных чисел путем моделирования квантовой схемы, а затем создавали музыку, используя результаты. Другая группа научилась программировать, чтобы моделировать модель магнетизма. Другая группа экспериментировала с погружением светодиодных ламп в жидкий азот, изменяя цвет излучаемого света, поскольку сильный холод менял структуру кристаллической решетки ламп.

«Мы обнаружили, что они могут сделать очень много вещей», — сказал Йе. «В первый год студенты проводили моделирование или небольшие обзоры литературы. Но прошлой весной они вернулись и захотели сделать что-нибудь своими руками. Они хотели чем-то похвастаться, когда наставники прилетят из Кембриджа».