我第一次听说量子信息科学是在2008年加拿大的一个教师发展研讨会上。我已经知道量子科学是对自然界最小物体的研究。我还知道信息科学是对计算机和互联网的研究。我不知道的是，量子信息科学(有时称为QIS)是一个新的科学技术领域，结合了物理科学、数学、计算机科学和工程学。

直到那时，我才意识到QIS如何成为手机、卫星、核磁共振成像机、激光、网络安全和太阳能技术等众多日常用品的关键。我是一名物理老师，不知道这一点，所以我知道其他老师也不知道。如果他们不知道，那就意味着K-12学生肯定没有学习它。

我发誓要在自己的课堂上以及向我指导的老师更好地教授这些概念。但我很快就发现了重大障碍。

这些障碍包括：

缺乏高中生能理解的量子信息科学材料。

专注于量子信息科学的教师专业发展的资金和机会有限。

缺乏可供学校遵循的州或联邦量子信息科学标准。

在同事的帮助下，我于2020年组织了QuantumforAll，以帮助为高中教师教学量子信息科学提供支持。该项目获得了美国国家科学基金会近100万美元的资助。该赠款的目标是通过教授K-12教育工作者如何教授QIS来帮助学生变得量子智能。

量子工作无处不在

从社会角度来看，投资高中量子教育有很多理由。

到2028年，量子信息技术市场价值预计将达到440亿美元。然而，一项研究估计该行业存在严重的人才短缺问题——空缺职位数量与合格申请者数量之比约为3比1。

缺乏该领域的基础知识可能会阻碍学生追求这些高薪工作。量子工程师、开发人员和科学家的年薪约为10万美元。量子物理学家的年薪最高可​​达17万美元。

虽然许多行业都需要量子科学人才，但最关键的行业之一是国家安全。

国家安全

从历史上看，当政客们投资于他们认为对国家安全至关重要的努力时，美国就取得了巨大的科学技术进步——想想太空竞赛，美国在13年里花费了2570亿美元，或者花费约100亿美元的原子弹四年内增长300亿至500亿美元(均以今天的美元计算)。

2016年，中国发射了世界上第一颗量子卫星，展示了其新兴的空间和技术计划，美国政府认识到了量子信息科学对于保持国家战略优势的重要性。美国军方领导人还担心中国即将创造出比美国设计复杂得多的“防黑客”通信工具。这就提出了一个问题：危机时期哪个国家将在太空中占据主导地位。

总部位于华盛顿的智库新美国安全中心警告称，中国将量子科学作为其研究工作的一部分，可能有助于该国超越美国，成为经济和军事超级大国。

2018年，《国家量子计划法案》签署成为法律，“加速量子研究和开发”并“发展量子信息科学技术人才队伍”。然而，该计划缺乏有关如何培养这支劳动力的细节。

量子科学教育

随着国家对量子信息科学的新关注，国家量子网络于2020年启动，以帮助支持和协调K-12教育工作，扩展可用的学习工具，并为学生创造机会想象他们在量子劳动力中的角色。

接触量子信息科学最合理的场所是高中物理课程。然而，每年有多达16%至39%的高中生没有进入开设物理课程的高中。

传统的专业发展侧重于教授教师，而不是帮助教师准备教学。这就是为什么我和其他研究人员正在研究不同职业发展模式的有效性。该模型的组成部分包括由科学教师教授的内容。

我们的模型对教师进行一周的教育，然后允许他们在下周的训练营中教授学生，同时信息和技术仍然新鲜。研究表明，这种方法比举办夏季研讨会更有效，因为夏季研讨会不允许教师在很晚之后才尝试他们所学到的知识。

这种模式还使教师在与科学教师一起练习教学技巧时获得信心，从而更有可能在自己的课程中运用这些知识。该项目开发的课程可以嵌入到现有的STEM课程(科学、技术、工程和数学)中，也可以作为独立主题进行教授。

已开发的量子信息科学课程的例子包括悬浮，向学生展示超导体和量子悬浮的基础知识。这些概念已经被用于磁悬浮列车等应用中，磁悬浮列车使用磁铁安静地漂浮在轨道上方，而不是使用轮子。这种类型的旅行有很多好处，包括能源效率高、出轨少、维护少以及对环境的影响小。

其他课程包括理解密码学和网络安全。密码学是一种对信息进行编码(或加密)的技术，因此只能由预期的接收者读取，而网络安全是为确保设备和网络中的信息安全而采取的过程或程序。

随着各地区和教育工作者开始实施量子信息科学概念，我和我的同事正在收集教师关于课程有效性和学生参与度的反馈。该反馈将用于告知如何将量子信息添加到更多课程中。

如果这种新的教师教育模式奏效，可以在全国范围内推广。

由于教师需要时间来学习内容并增强教学信心，因此这种类型的专业发展可能会很昂贵。但如果美国放弃其在量子技术领域的地位，让中国等国家在该领域占据主导地位，那么未能帮助学生为未来的工作做好准备的代价可能会更大。

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