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 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;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?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?本课程从一系列重大交叉科学命题出发,使理工乃至社会人文等各专业的同学们,对科学所面对的世纪难题建立全局性认知;面向零基础初学者,讲授量子理论的物理图景,并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相关主题,以打破学科壁垒,促进跨学科融合,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;课程还涉及有关生命的哲学探讨和人文关怀,概要介绍中国古典自然哲学体系,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。

在世纪之交,盖尔曼、安德森等著名物理学家已形成共识,即21世纪科学发展的主旋律即是物理、信息与生命科学的合流,我们面对的是跨越不同学科的科学大整合。“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。量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物,是以量子力学的态叠加原理为基础,研究信息处理的一门新兴前沿科学,包括量子保密通信、量子计算机等几方面。自旋电子学是量子力学与传统电子学相结合的产物,在传统电荷输运之外,还考虑电子的自旋和磁矩,磁性半导体、拓扑绝缘体、量子霍尔效应等前沿课题近来被应用到自旋电子学,并作为实验手段用于DNA与手性分子、类脑计算等交叉科学的研究中。将量子物理学与生命科学结合起来探索的先驱是量子力学的一位奠基人薛定谔,其著名的《生命是什么》与《意识和物质》两本书,前者将物理与生物相联系,后者则将物理和哲学相联系。量子生物学是利用量子理论来研究生命科学的一门学科,是量子力学与分子生物学相结合的产物,近10年来得到了迅猛的发展。最新研究表明,生命活动中量子效应广泛存在,从植物的光合作用、鸟类对磁场的感知、酶化学反应,到量子神经机制假说等,量子力学当中的反直觉观念在描述生命进程中起到了重要的作用。脑科学是21世纪最具挑战性的前沿科学领域,理解大脑的结构与功能是人类认识自然与自身的终极挑战。目前尚没有任何一个自然或人工系统展现出像人脑一样面对复杂任务和复杂环境的适应性、自主性、鲁棒性、稳定性、低功耗等特点。借鉴脑信息处理机制,发展类脑智能已成为近年来人工智能的研究热点。当前集成电路的摩尔定律已失效,量子计算与类脑计算被认为是能使计算科学突破“新常态”的两种新范式,而未来量子计算与类脑计算的融合,或许能给强人工智能的研究带来一线希望。另一方面,宇宙与天体的演化、人工智能的崛起及地球生态环境的恶化,使人类不得不重新检视自身的生命尊严与终极命运,而东方的世界观、生命观等古典自然哲学体系,或许能为这些问题的解决带来希望。——本课程将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,以期能给学生带来一个全局性的视域,帮助他们把握科学发展的时代脉搏。
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 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个交叉科学难题,李喜先主编,科学出版社,2005,21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;
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;
参考书 1,9787030208064;
1,1107010802;
1,7030146875;
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2课时,第1周)
第1讲:从存在到演化:真空、时空、基本粒子、原子……
第2讲:内容、立意、要求,世纪重大科学命题概览

第一章 量子理论提要 (共5课时,第2~4周)

第3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4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5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6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7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

第二章 集体性涌现与自旋电子学(共5课时,第4~6周)

第8讲:熵、负熵与信息熵

第10讲:涌现现象

第9讲:相变、超导、超流

第11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12讲:自旋电子学与自旋Aharonov-Bohm效应(1课时)

第三章 量子信息(共4课时,第7~8周)

第13讲:激光原理(1课时)

第14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15讲:量子保密通信(1课时)
基本原理、墨子号实验卫星

第16讲:量子存储与量子计算(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 量子生物学(共7课时,第9~12周)

第17讲:生命的物质组成与基本单元

第18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19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20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21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22讲:嗅觉的量子计算、磁感知与量子自旋(1课时)

第23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

第五章  脑科学、人工智能与意识谜团(共4课时,第12~14周)

第24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25讲:脑科学与类脑计算(1课时)
各国脑计划介绍、类脑计算基本逻辑、仿生视觉传感器

第26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27讲:意识对科学的挑战

第六章 东方文明中的生命实践(共3课时,第14~15周)

第28~29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30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
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,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文献阅读,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。
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,对该方向的演进脉络、发展现状、核心思想、关键技术等进行了解。期末结合课程内容、文献阅读和自己的学科,写一篇评述性、思想性或研究性论文,占总成绩的70%。课堂讨论参与和发言,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;