通信新技術在通信專業課程教學中的引入和探索①

李健，胡之惠

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?近年來，通信技術的發展日新月異，教師在課堂教學中往往感覺到現有的知識體系結構已跟不上當前新技術的發展。結合通信領域的前沿技術——量子通信，討論在本科課堂中引入量子通信技術的必要性，并展開討論量子通信課程教學的內容和方法。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?通信專業;量子通信;新技術

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2018）27-0070-01

量子通信技術，是量子理論和信息論相結合的研究領域，是利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通訊方式。近年來，各種新的通信技術不斷涌現，以往常用的通信技術手段已遠遠跟不上新技術的發展。如何在技術的不斷變革中，將前沿技術融合到通信工程專業的課程教學中，通過更新和拓寬學生的專業知識，培養既具有扎實的經典通信理論基礎，又了解通信新技術、適應能力強的通信專業人才，是通信工程人才培養方面需要重點關注的問題。

一、量子通信與本科教學

量子通信的基本思想主要由Bennett等于20世紀80年代和90年代起相繼提出。量子通信技術的發展，歸功于量子通信不可被解密，量子通信具有高效率和絕對安全等特點。近年來，以BB84協議和量子態隱形傳輸為代表的量子通信理論與實驗以越來越快的速度朝實用化和商用化方向迅猛發展。可以預見，量子通信與現有通信深度融合將是未來技術發展的主流趨勢。

但目前在大多數本科教學中并未引入量子通信的教學內容。主要原因歸結為以下幾點：

1.量子通信理論基礎是量子力學，而量子力學是主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。它對物質的分析方法遠遠有別于傳統的經典物理學。對于剛剛接觸量子力學的人而言，往往感覺量子力學晦澀難懂，不好理解。

2.基于量子通信的研究對象往往是我們平常“看不見也摸不著”的微觀系統，使學生往往糾結于抽象的理解，感覺學習難度大，學習興趣不高。

因此，本文從量子通信技術的發展現狀出發，論述如何在教學過程中引入最新的學科前沿研究熱點和問題，讓學生理解和掌握當今通信領域的最新技術，進而激發和培養學生的專業興趣與創新思維。

二、教學內容的設置

量子通信主要包括量子隱形傳態、量子安全通信和量子編碼等內容。基于量子通信知識本身的特點，本文建議在引入量子通信教學內容時，主要從以下幾個方面來開展。

1.量子力學的基礎知識。理解量子比特的概念，量子糾纏、量子態的疊加性、量子相干性、量子不可克隆定理、海森堡不確定性原理和量子不可克隆性等基本原理。

2.量子信息技術基礎。了解量子計算基本知識、量子通信的特點、量子信息論基本理論。掌握量子態的表示、量子信息的形式、特性及量子糾錯原理。

3.了解量子隱形傳態的基本思想、原理和實現方法。

4.了解經典密鑰管理技術及其局限性、量子密鑰的應用，理解和掌握BB84協議及其應用。

5.了解量子保密通信的安全性、發展趨勢、應用前景與技術挑戰。

三、教學方法的改進

由于量子通信是由量子態作為載體攜帶需要發送的信息，并利用量子的性質和原理來實現通信的過程。量子通信的研究對象是我們平常“看不見也摸不著”的微觀系統，所以在教學過程中，由于受實驗條件和環境的限制，無法將微觀粒子制備、檢測和編碼的過程和結果展示給學生。因此，在將量子通信知識普及到本科課堂中存在種種困難。

要解決這些問題，一方面可以將先進的多媒體技術引入課堂教學中。比如利用PPT、二維動畫、三維動畫或其他軟件技術，將圖片和聲音等結合起來制作出動畫效果，展示教學內容，方便學生對內容的理解。常用的二維動畫制作軟件有Macromedia Flash、Authorware等;三維動畫比較常用的軟件有Autodesk公司的3DS MAX和MAYA等。利用動態演示教學內容，不僅能將抽象的知識具體化，也能產生生動活潑的效果，增強學生的學習興趣。另一方面，可以利用仿真技術來輔助教學。例如利用Matlab軟件設計一些小程序，對數據進行分析和實驗仿真。通過將Matlab仿真軟件引入量子通信的課程教學中，教師可以利用Matlab軟件中的各種函數庫、模塊庫以及圖形界面工具，把晦澀難懂的量子通信等相關知識以圖的形式顯示出來;同時通過設計仿真程序，改變某些參數來觀察通信系統的性能，可以進一步加深學生的理解，獲得較好的教學效果。

通過上述的教學改革措施，在現有課程內容中引入量子通信技術，可以開闊學生的視野，拓展學生的發散性思維。同時利用先進的多媒體和計算機仿真教學的方式，進一步加深學生的理解，提高學生學習的主動性。在課堂教學中引入最新的學科前沿研究熱點內容，對學生能力的培養和整體素質的提高起到了非常積極的作用。

參考文獻：

[1]裴昌幸，朱暢華，聶敏，等.量子通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，2013.

[2]尼古拉.吉桑.跨越時空的骰子[M].周榮庭，譯.上海科學技術出版社，2016.