量子、信息与生命课程详细信息

课程号 04833500 学分 2
英文名称 Quantum, Information and Life
先修课程
中文简介 爱因斯坦在他的《自述(1946)》中曾描述他学生时代的困惑:“数学分成许多专门领域,每一个领域都能费去我们所能有的短暂的一生。物理学也分成了各个领域,其中每一个领域都能吞噬短暂的一生,而且还没有满足对更深邃的知识的渴望。自己的处境像布里丹的驴子一样,它不能决定究竟该吃哪一捆干草。” ——同学们,你们是否也如此呢?

而他给出的解决方案是:“这需要我(们)把真正带有根本性的最重要的东西同其余那些多少且可有可无的广博知识可靠地区分开来。识别出那种能导致深邃知识的东西,而把其他许多东西撇开不管,把许多充塞脑袋、并使它偏离主要目标的东西撇开不管。” ——本课即希望帮助同学们从纷繁的学科海洋中把握住科学发展的时代脉搏。

麦克斯韦在1871年曾经说过:“在不多几年之内,所有重要的物理常数都将被近似估值,留给科学家做的唯一工作是进行这些测量,测到另一位小数…… 但是我们没有权利对天地万物的不可探究的丰富多样性抱这种想法,也没有权利如此设想那些清新的心灵的创造力,它将继续包容和反映出这种丰富多样性。”

开尔文于1990年曾说过:“物理学已经可以认为是完成了,下一代物理学家可以做的事看来不多了,但是,在物理学的晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的小小乌云。” ——就是这两朵小小乌云最后催生出了相对论与量子力学。

自1970s以来,理论物理学等已停滞了几十年,至21世纪的今天,整个科学的大厦上空乌云密布,随着摩尔定律的失效和全球疫情的肆虐,经济与社会发展也将步入“新常态”,有待破局开新篇。

爱因斯坦还曾说过,“大自然通过它的本性的崇高而不是诡计来隐藏它的秘密”。——如果是我们,再也不能用崇高的眼光来思考,我们就不应该奇怪为什么以物理学为代表的科学基石很久没有真正的进步了。

而北大是常为新的,这门课最原初的一个想法是希望能激发一些“清新的心灵的创造力”,希望他们能有志成为新时代的开拓者,做出“向上捅破天”(任正非语)式的范式创新,为当今的科学囚徒们指明出路。

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量子、信息与生命是有关我们及我们所在世界的最首要三个关键词:量子在我们熟悉的客观现象背后,以一种迥然不同的方式支配着微观物质的演化;生命是从前述物质世界中自然涌现出的自我生长、繁殖、感知、意识、意志、进化、互动,不仅涉及客观的自然现象,还涉及我们主观的精神世界与社会行为;信息是物质与生命演化过程中状态与变化的实质性内容,人类不仅能够把握信息,还能利用信息来改变社会生活,甚至在很多方面超越人类自己。

在宇宙与生命的起源和演化过程中,信息扮演什么角色?在生命的复杂结构与活动中,量子效应是否存在?生命现象为理论物理学的发展带来的挑战和启示是什么?脑科学的发展有可能为计算科学带来怎样的变革?量子计算与神经计算未来能否融合,从而使强人工智能成为可能?量子科学有可能为社会科学带来怎样的全局性变革?在宇宙天体演化和人工智能崛起的背景下,生命的尊严又在哪里?作为中华文明土壤上成长起来的东方学者,又应当具备怎样的生命健行和人文关怀,能否为科学的未来发展指明方向?

——“寒暖洋流交汇处往往有大渔场”,学科交叉点最有可能使科学产生革命性变化。本课程致力于帮助学生建立科学前沿的全局观,打通交叉学科融合教育的大周天。将面向零基础初学者,对如上主题进行介绍,教学将兼顾通识性与研究性,授课重在要点、图景、思想、脉络的揭示,并着重发挥学生的主动性,引导学生关注和研读最前沿的学术文献,并使学生在学术生涯的早期即有条件在相关领域参与研究并不断深入。
英文简介 Quantum, information, and life are the top three key words of our world: Quantum dominates the evolution of micro material in a very different way behind the objective phenomenon we are familiar with; Life emerges naturally from the material world with self growth, reproduction, perception, consciousness, evolution, interaction, which do not only involves the objective natural phenomena, but also involves the spirit of our subjective world; Information is the states and the substantial contents which changes in the evolution process of material and life. Human can not only grasp the information, also can use the information to change our social life, even beyond ourselves in many ways. What role does information play in the genesis and evolution of the universe and life? Do quantum effects exist in complex structures and activities of life? What are the challenges and implications of the development of theoretical physics brought by phenomena of life? What changes could the development of brain science possibly bring about in computational science? Can quantum computing and neural computing be integrated in the future, making strong AI possible? Where is life's dignity in the context of cosmic evolution and the rise of artificial intelligence? This course starts from a series of major cross-scientific propositions, so that students who majors science and technology and the humanities can establish a comprehensive understanding of the problems faced by science. For beginners, the course will teach with the basic of quantum physics, and introduce quantum informatics, spintronics, quantum biology, brain science, neural computation and other frontier topics in the field of context on this basis, to break barriers among the disciplines, promote the interdisciplinary fusion and help students in their early academic career further research in related areas. The course also involves the philosophy of life and humanistic care, summarizes classical Chinese natural philosophy and its relationship with the future of scientific development, and discusses the philosophy and life state which Oriental scientists should be familiar with. This course will introduce the above topics and combine generality with research-oriented teaching. The teaching will focus on the revealing of key points, thoughts and ideas, which will emphatically exert students' initiative, guide students to pay attention to and study the leading-edge academic literature, in order to bring students a global vision and help them to hold the pulse of scientific development in the era.
开课院系 信息科学技术学院
通选课领域  
是否属于艺术与美育
平台课性质  
平台课类型  
授课语言 中文
教材 A Different Universe: Reinventing Physics from the Bottom Down,Robert B. Laughlin,Basic Books,2006,1,0465038298;
Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology,Jim Al-Khalili and Johnjoe McFadden,Bantam Press,2014,1,0552778079;
21世纪100个交叉科学难题,李喜先主编,科学出版社,2005,量子力学教程,曾谨言,科学出版社,2003,Quantum Effects in Biology,Masoud Mohseni, Yasser Omar and Gregory S. Engel,Cambridge University Press,2014,21世纪100个科学难题,21世纪100个科学难题编写组,吉林人民出版社,1998,1,7206029574;
参考书 1,7030146875;
1,9787030208064;
1,1107010802;
教学大纲 1. 倡导科学精神,帮助学生建立科学前沿的全局观、把握科学发展的时代脉搏。
目前,大部分学生尚缺乏科学探索的内在源动力,愿意从事科研的学生,大多也只聚焦于某一学科或方向。正如老校长蔡元培所言:“不明了科学发展的趋势,不明白各学科之间的相互关系,以至存在‘专己守残之陋见’。” 本课试图打破学科的壁垒,从一系列世纪科学难题出发,使学生在本科阶段,即能够对科学的边界和所遇到的挑战建立全局性认知。在讲授量子物理学的基本要点后,介绍量子信息学、量子生物学等前沿领域的主题脉络,引导学生研读前沿学术文献,帮助他们把握科学发展的时代脉搏。

2. 学科大交叉、大融合背景下,建设一门交叉学科通识课。
目前交叉科学研讨已涉及整个理工科领域,量子、信息与生命是学科交叉融合的首要三个关键词。以量子生物学为例,它涉及物理学、分子生物学、化学、光电子学,是极其跨学科的领域。有学者笑言,物理学家和化学家用了近一个世纪来适应量子力学这种深奥和反直觉的世界观,现在该轮到生物学家了。而现在生命科学学院的本科生,不见得会重视大学物理,遑论量子力学。故亟待有一门交叉学科的通识课,使各专业本科生能及早融入交叉学科研究的学术氛围。

3. 缩短基础知识学习与科学前沿研究之间的距离,鼓励学生及早进入前沿领域。
当代科学发展的迭代速度越来越快,很多院系的传统课程设置已不再跟得上科学发展的节奏。另一方面,学生在学习各门专业基础课的时候,往往不知道所学知识有什么用,考完试后就还给了老师,而在研究生阶段真正要用时,却早已忘记了相关课程的内容,原因是学习过程中“无的放矢”,没有科学问题做驱动。本课程先帮助学生建立科学前沿的全局地图,进而讲授量子物理学及相关交叉学科的要点、脉络,并将通识性与研究性结合起来,使学生在学术生涯的早期即树立问题意识,有条件参与相关研究。

4. 培养理工科专业本科生的自然哲学素养,鼓励人文社会专业本科生建立对自然科学的前沿认知。
蔡校长曾言:“治自然科学者,局守一门而不肯稍涉哲学,而不知哲学即科学之归属,其中如自然哲学一部,尤为科学家所需要”, “乃理科学生,以与文科隔绝之故,遂视哲学为无用,而陷于机械的世界观”,“学文科者,不可不兼习理科之某种”,主张融通文理两科之界限,文理兼习。为此,本课程的最后概要介绍中国自然哲学体系及其与未来科学发展的关系,探讨东方学者应有的哲学素养与生命健行。
引言:量子、信息与生命(共1课时,第1周)
课程立意、内容和要求,整体性介绍

第一章 世纪重大科学命题 (共7课时,第1~4周)
64个重大科学问题概览,重点介绍其中7个命题。

第2讲:理论物理学的世纪难题(1课时)
物理学常数问题等8个重大问题概览,重点介绍“量子引力理论”。

第3讲:涌现与复杂系统的世纪难题(1课时)
自组织与熵增疑难等5个重大问题概览,重点介绍“复杂系统的涌现现象”。

第4讲:生命科学的世纪难题(1课时)
蛋白质序列/结构与功能的进化关系等12个重大问题概览,重点介绍“生命与意识的物理学基础”这一命题。

第5讲:脑科学的世纪难题(1课时)
大脑高级功能时空整合等9个重大问题概览,重点介绍“脑的各种模型能带我们走多远?”。

第6讲:信息科学的世纪难题(1课时)
人工智能能否完全替代人类智能等9个重大问题的概览,重点介绍“后摩尔定律时代的未来计算”。

第7讲:科技创新与可持续发展的世纪难题(1课时)
可持续发展对化学的挑战等11个重大问题的概览,重点介绍“水科学与水科技”。

第8讲:科学与人文的世纪难题(1课时)
社会物理学派在交叉科学领域中的学科意义与价值等10个重大问题的概览,重点介绍“物质和精神的关系问题”。

第二章 量子理论提要 (共6课时,第5~7周)

第9讲:量子力学的基本实验(1课时)
双缝干涉实验、光电效应实验、偏振片实验、波粒二象性与物质波、波函数

第10讲:波函数与薛定谔方程(1课时)
薛定谔方程、波函数的坍缩与统计诠释、测不准原理、量子态叠加、量子隧穿

第11讲:算符假设与Dirac符号(1课时)
量子力学算符假设、算符的本征值与本征函数、Dirac符号

第12讲:电磁场及相关量子效应(1课时)
麦克斯韦方程组、标量势与矢量势、Aharonov-Bohm效应、原子能级、Zeeman效应、量子跃迁

第13讲:自旋(1课时)
Stern-Gerlach实验、电子的自旋态、自旋轨道耦合的半经典图像、自旋单态与三重态、自旋纠缠态

第14讲:量子场论(1课时)
粒子的产生与湮灭、真空零点能与卡西米尔力、粒子物理标准模型

第三章 量子信息(共3课时,第8~9周)

第15讲:光子纠缠态制备与量子相干性(1课时)
态叠加原理、光子纠缠态制备、量子相干与退相干

第16讲:量子保密通信(1课时)
基本原理、墨子号实验卫星

第17讲:量子存储与量子计算机(1课时)
基于原子自旋的量子比特存储器、量子计算机技术路线选介、量子霸权

第四章 自旋电子学与手性分子(共3课时,第9~10周)

第18讲:自旋动力学效应(1课时)
磁振子与自旋波、自旋霍尔效应、拓扑绝缘体

第19讲:自旋电子学器件与自旋Aharonov-Bohm效应(1课时)

第20讲:手性分子与自旋选择性(1课时)
手性分子的自旋选择性(基于自旋电子学的实验)、手性分子的相互作用(自旋单重态与三重态)

第五章 量子生物学(共6课时,第11~13周)

第21讲:水及其在生命科学中的角色(1课时)
排斥区与水的第四相、水与细胞起源、水的记忆和复杂性

第22讲:酶是生命的引擎(1课时)
胶原蛋白酶、呼吸作用、电子/质子隧穿

第23讲:光合作用中的量子游走(1课时)
光合作用中的量子游走(原理与实验)、基于硅基光子学器件的量子游走实验

第24讲:嗅觉的量子计算、磁感知与量子自旋(1课时)

第25讲:基因编码与量子跃迁(1课时)
基因编码与量子跃迁、DNA附近水分子的超结构、波动遗传学

第26讲:量子神经理论(1课时)
彭罗斯与明斯基的论争、基于原子核自旋的量子神经计算、相关实验现象

第六章  脑科学与人工智能(共3课时,第14~15周)

第27讲:脑科学概览(1课时)
基本神经理论、脑视觉皮层、各国脑计划介绍

第28讲:深度学习与类脑计算(1课时)
深度学习基本要点、类脑计算基本逻辑、仿生视觉传感器

第29讲:类脑芯片与超级计算机(1课时)
纳米忆阻器突触与自旋电子学神经元、类脑超级计算机、量子计算与类脑计算

第七章 东方文明中的生命观(共3课时,第15~16周)

第30~31讲:中国古典自然哲学体系概述(2课时)
易经系统观、内经生态观、道德经自然观、华严经真空观

第32讲:东方学者的生命健行(1课时)
孟子的浩然之气、庄子的生命境界、慧能的明心见性、爱因斯坦的真理观

课程总结:

第33讲:优秀学术报告演讲(学生,1课时)

第34讲:课程总结(1课时)
老师的讲授注重通识性。面向零基础初学者,讲授量子理论的基本要点,着重实验事实、物理图景及重要公式的物理意义,不涉及公式推导的细节。进而以此为基础介绍量子信息学、自旋电子学、量子生物学、脑科学与人工智能等前沿领域的核心主题,重在要点、思想、脉络的揭示。这部分占课程内容的80%。

同时兼顾课程的研究性,邀请在某领域有建树的国内外学者来课堂做专题报告,并提供实验室实地考察与感受机会。特邀专家的专题报告占课程内容的10%。

着重激发学生对前沿科学的兴趣,发挥学生的主动性,引导学生结合自己的兴趣和专业方向,关注和研读最前沿的学术文献,从泛读到精度,鼓励开展分组研讨等多种形式的交流活动、做调研报告,占课程内容的10%。同时鼓励学生独立思考,结合自己的学科和课程的调研报告,写一篇评述性的期末论文。

备课过程中,实践课程录像等在线教学模式,建设课程在线协作平台,为未来转型为翻转课堂及慕课做准备。
平时成绩占总成绩的40%,要求学生选择一个自己感兴趣的前沿研究方向,对相关文献进行泛读和精读,写一篇调研报告,对该方向的演进脉络、发展现状、核心思想、关键技术等进行介绍。
期末论文占总成绩的30%,要求学生结合课程内容、调研报告和自己的学科,写一篇评述性、思想性或研究性论文。
期末随堂考试主要考核课程内容的最基本要点(take home message),占总成绩的30%。
教学评估 任全胜:
学年度学期:17-18-2,课程班:量子、信息与生命1,课程推荐得分:4.25,教师推荐得分:4.25,课程得分分数段:80及以下;
学年度学期:20-21-2,课程班:量子、信息与生命1,课程推荐得分:0.0,教师推荐得分:10.0,课程得分分数段:100-105;
学年度学期:21-22-2,课程班:量子、信息与生命1,课程推荐得分:0.0,教师推荐得分:8.5,课程得分分数段:90-95;
学年度学期:22-23-2,课程班:量子、信息与生命1,课程推荐得分:0.0,教师推荐得分:7.69,课程得分分数段:85-90;