《信息技术（基础模块）（WPS版）》（娄志刚）223-4教案 第19课 新一代信息技术概述（四）

第1节课新一代信息技术概述

（四）一了解我国在量子信息领域课题课前任务一考勤的研究成果（2min）一问题导入（5min）一传授新知（38min）课时2课时（90min）教学设计知识技能目标

（1）掌握量子信息的概念教学过程主要教学内容及步设计意

（2）了解量子信息的研究领域结（3min）一作业布置（2min）教学目标

（3）了解量子信息的应用场景第一节课思政育人目标■【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通培养学生理解新一代信息技术对人们的生产生活所产生的影响，认同并维护我国科教兴国通过课前任务,过文旌课堂APP或其他学习软件，完成课前任务战略，自觉培养创新意识，勇担民族复兴使命，发扬时代精神使学生提前熟悉量请大家提前预习本节课知识，熟悉量子信息的概念、研究领域、应教学重点量子信息的概念、研究领域课前任务子信息的概念、研教学重难点用场景教学难点量子信息的应用场景究领域、应用场景教学方法案■例【分学析生法】、完问成答课法前、任讨务论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材、文旌课堂APP培养学生的组织■【教师】使用文旌课堂APP进行签到考勤纪律性，掌握学生2min■【学生】按照老师要求签到的出勤情况通过问题导入的■【教师】提出以下问题问题导入方法，引导学生主什么是量子？什么是量子信息？（）动思考，激发学生5min的学习兴趣■【学生】思考、举手回答■【教师】通过学生的回答引入要讲的知识-量子信息是什么■【教师】通过多媒体展示量子信息是什么量子信息是一种由量子力学与信息技术相结合的新型技术，通过运用量子力料的理论知识进行信息的采集、处理和传输■【学生】聆听、记录、理解★【小组讨论】在学习或生活中，你接触过理解量子信息吗？小【学生】小组讨论，并由小组代表上台发表讨论结果+【教师】通过学生的讨论结果，引出新知

二、量子信息的研究领域■【教师】通过多媒体展示量子信息的研究领域当下，量子信息存在众多细分领域，但总的来说，它主要致力于量子通过教师的讲解通信、量子计算和量子测量3个方面传授新知了解量子信息的概1量子通信量子通信是利用量子叠加和量子纠缠进行信息传递38min念、研究领域和应用的新型通信方式，它基于量子冰钝勺量子测量坍缩、不可分害！

1、不可场景克隆二大原理提供无法被窃听和计算破解的绝对安全性保证，主要分为量子密钥分发和量子隐形传念两种2量子计算量子计算是一种利用量子力学基本原理进行计算的新型计算模式，主要研究方向为量子计算机和量子算法从可计算性的角度来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但从计算效率上看，由于利用了量子叠加效应，量子算法的计算效率要远高十传统计算机算法3量子测量量子测量基于微观粒子系统及其量子态的精密测量，完成被测系统物理量的执行变换和信息输出，在测量精度、灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势量子测量主要包括时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量和目标识别五个方向，应用涵盖基础科研、空间探测、生物医疗、惯性制导、地质勘测、灾害预防等领域作为新一代信息技术，量子信息实现了对现有信息技术软硬件的优化和革新，突破了传统信息技术软硬件系统的极限，开辟了信息技术发展的新方向一旦量子信息获得广泛应用，人类社会将迈入一个全新的阶段因此，人们将量子信息的诞生称作〃第二次量子革命”■【学生】聆听、记录、理解小【小组讨论】量子信息有哪些应用场景？请把你掌握的知识在小组内进行分享+【学生】小组讨论，并由小组代表上台发表讨论结果＞【教师】通过学生的讨论结果，引出新知三,量子信息的应用场景■【教师】通过多媒体展示量子信息的应用场景关于量子信息的很多研究尚处在实验室阶段，但也有一些技术正在走出实验室，在各个领域逐步得到应用，帮助它们实现刖所未有的跨越式发展下面介绍量子信息的几种常见应用

1.量子计算机量子计算机是指用量子志表小信息，将量子比特作为信息处理和存储单兀，采用量子算法和量子编码实现高速计算的新型计算机传统的电子计算机以0和1（即比特）作为信息处理单元，一个信息处理单元只能同时处理一个单状态比特，而量子计算机的信息处理单元是量子比特,由于量子叠加效应，可同时处理和1,这使得量子比特能承载的信息量远高于传统电子比特例如，4个电子比特可表示16个数字，但在同一时间只能表K16个数字中的其中1个而4个量子比特却可在同一时间表示全部16个数字这意味着，量子计算机的计算能力将随着量子比特数的增加呈指数增长，利用量子技术制造的光量子计算机可在几秒内完成电子计算机几十万年才能完成的运算量量子计算机超强的计算能力为密码分析、气象预报、城市交通规划、石油勘探、药物设计等需要大规模算力的问题提供了解决方案，并可模拟高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材料制造和新能源开发奠定科学基础2,量子通信网络量子通信网络是一种采用量子通信系统的保密通信网络，具可在广阔的空间范围内，为大量用户提供绝对安全的网络通信因此,量子通信网络被称为信息安全的〃终极武器〃，可从根本上解决国防、金融、政务、能源、商业等领域的信息安全问题当量子通信网络得到大规模推广后，人们将无须担心任何信息泄露，也不用担心网络恶意攻击行为

3.量子雷达量子雷达是一种利用量子力学原理，通过收发量子信号来探测目标的新型雷达由于量子的观测坍缩特性，量子雷达发射的光子一旦探测到物体，其量子特性就会发生改变，量子雷达即可立即发现目标的位置且由于量子不可复制、不可分割的特点，量子雷达发射的量子信号无法被拦截和篡改，这使得量子雷达难以欺骗和反探测，常规雷达难以探测的隐形飞机也可被量子雷达轻松发现量子雷达具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、反隐身能力强、不易被敌方电子侦察设备发现和易于成像等优点，在军事和国防领域（如导弹防御和空间探测）具有极其广阔的应用前景和重大现实价值

4.量子导航量子导航是基于各种量子效应和微加工技术的惯性导航系统，它无须依赖外部的GPS信号即可得到精确的设备位置信息，并可将传统GPS系统数米的导航距离提升至毫米级别，大大提高导航精度，这使得量子导航在无人机、潜艇、导弹、直升机等领域有着广阔的发展前景

5.量子成像量子成像是利用量子纠缠现象发展起来的一种新型成像技术,理论上可在所有光学波段获得成像效果良好的图像，比目前最先进的激光全息成像技术更加强大目前的量子成像研究多处在实验室阶段，需要的成像时间普遍较长（一般为数秒），不适于瞬时成像的场合，但随着日后技术的成熟，量子成像将在航空探测、军事侦察、远程成像等领域发挥重要作用■【学生】聆听、记录、理解★【课堂提问】除了上面的应用领域外，你认为量子信息还可以应用在哪些领域？★【学生】聆听、思考、举手回答＞【教师】对学生的回答进行评价和总结第二节课■【教师】通过多媒体展示数字人民市的使用，并对其进行简单介绍使用任务驱动法教学，通过展示案例效果展示2020年10月21日，中华人民共和国国务院新闻办公室举行新闻发效果，使学生对要制（）布会会上，科技部表示，下一步，在十四五局新技术发展的规划布局上，5min作的作品有一个大将按照加快形成新发展格局的战略要求，着力来解决身质量发展需要与科致了解技创新能力不足的矛盾其中提到，加强前瞻部署和大力发展以智能技术和量子技术为特征的新一代高新技术，打造我国高新技术的先发优势在本任务中，我们通过资料搜集、信息检索等方式,了解我国在量子信息领域的研究成果■【学生】观看案例效果、聆听■【教师】介绍当前我国在量子信息领域的先进研究成果，安排学生扫描微课二维码观看视频〃墨子号〃量子科学实验卫星详见教材步骤1A通过扫码观看视频和查阅资料,了解当前我国在量子信息领域的先进研究成果例如，我国于2016年发射的量子科学实验卫星〃墨通过查阅资料来子号〃更好地了解我国在步骤2A通过扫码观看视频和查阅资料，了解当前我国在量子计算量子信息领域、量任务实施领域的先进研究成果例如，我国于2020年自主研制成功的量子计算机〃子计算领域和量子九章〃20min通信领域的研究成步骤3A通过扫码观看视频和查阅资料，了解当前我国在量子通信果，增强学生的民领域的研究成果例如，我国于2017年建设成功的〃京沪干线〃，以及族自豪感在此基础上建成的天地一体化广域量子通信网络■【学生】自行扫码观看配套微课，按照要求进行操作，如遇问题可询问老师■【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题■【教师】讲解全球量子信息研究现状与发展情况量子信息对当今及未来社会发展起着至关重要的作用，其发展潜力早已引起了世界主要国家的高度重视美国、欧洲I、日本及我国都将量子信息提升至国家战略高度，并投入大量资金和人才进行研究，加快筹划布局，形成了各自的特点和优势，量子信息领域的竞争日趋白热化请以小组为单位，查阅相关资料，了解全球量子信息的研究现状与发展情况本实训通过查阅1查阅相关资料，了解美国在量子信息领域的研究历程和现状相关资料，了解全实操练习例如球量子信息研究现15min美国是最早将量子信息列为国防与安全研发计划的国家早在2002状与发展情况年，美国国防高级研究计划局DARPA就制定了《量子信息科学与技术规划》，并于2004年发布

2.0版，给出了量子计算发展的主要步骤和时间表此后，在美国政府和谷歌、微软等各大企业的大力投入下，美国已经在量子信息领域完成了全面战略布局,并取得了若干阶段性成果2查阅相关资料，了解欧洲I在量子信息领域的研究历程和现状例如欧洲是量子理论的发源地，也高度重视量子信息对国家安全、经济、社会发展等方面的影响，并投入了众多资源大力发展相关技术2016年3月，欧盟委员会发布《量子宣言草案》4月，欧盟委员会正式宣布启动总额10亿欧元的量子技术项目，投资〃量子旗舰〃计划，旨在培育形成具有国际竞争力的量子工业3查阅相关资料，了解日本在量子信息领域的研究历程和现状例如日本对量子信息也十分关注，无论是政府部门还是私营企业，都高度重视对量子信息的研究自2000年开始，日本便将量子通信技术作为国家高级技术研究开发计划之一，10年内投资约400亿日bo4查阅相关资料，了解我国在量子信息领域的研究历程和现状例如我国早在二十世纪七八十年代就进入了量子信息的研究领域，近年来我国对其的重视程度越来越高，在我国政府的大力支持和科研人员的不懈努力下，我国的量子信息研究取得了一系列突破性成果，并已然走在了世界前列2016年，我国发射了世界第一颗量子科学实验卫星〃墨子号〃，并率先完成了三大量子通信实验，确定了量子通信领域的全面优势地位；2017年，我国建成并开通世界首条量子通信网络干线——〃京沪干线〃，实现了洲际量子保密通信；2018年，我国首次实现18个光量子比特的纠缠，刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录；2020年，我国成功研制出76量子比特的量子计算原型机〃九章〃，实现了量子计算优越性；2021年，我国在京沪干线的基础上，成功构建出世界首个跨度4600公里的天地一体化广域量子通信网络；此外，我国还成功研制出62量子比特可编程超导量子计算原型机〃祖冲之号〃，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走5查阅相关资料，了解我国在量子信息领域的未来趋势和战略目标，例如在未来，世界各国在量子信息领域的竞争还将愈演愈烈，而我国也将不断提升自身量子信息研究水平，致力于攻克量子芯片、原子冷却等技术难题，到2030年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络在此基础上，构建信息充分安全的〃量子互联网〃，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统此外，我国还将不断推进量子信息的实用化进程，使其早日进入千家万户，造福百姓6将搜集的资料进行整理，并以报告的形式保存下来■【学生】观看效果、聆听要求、制作文档■【教师】简要总结本节课的要点本节课掌握了量子信息的概念、研究领域和应用场景，以及我总结知识点，巩国在量子信息、量子计算和量子通信领域的研究成果希望大家在固学生对相关知课下多加了解，巩固所学知识识的印象■【学生】总结回顾知识点■【教师】布置课后作业通过课后作业复作业布置请根据课堂知识，通过查阅相关资料，了解人工智能的研究现状与发展情习巩固学到的知2min况识，提高实际操作能力■【学生】完成课后作业通过本课的学习，学生对这门课程加深了印象，本节课了解了量子信息的概念、研教学反思究领域、应用场景，并取得了不错的教学效果但部分学生对查阅文献的操作还不太熟练，还需多加练习。