通信新技术在通信专业课程教学中的引入和探索①

李健，胡之惠

[摘           要]  近年来，通信技术的发展日新月异，教师在课堂教学中往往感觉到现有的知识体系结构已跟不上当前新技术的发展。结合通信领域的前沿技术——量子通信，讨论在本科课堂中引入量子通信技术的必要性，并展开讨论量子通信课程教学的内容和方法。

[关    键   词]  通信专业;量子通信;新技术

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2018）27-0070-01

量子通信技术，是量子理论和信息论相结合的研究领域，是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通讯方式。近年来，各种新的通信技术不断涌现，以往常用的通信技术手段已远远跟不上新技术的发展。如何在技术的不断变革中，将前沿技术融合到通信工程专业的课程教学中，通过更新和拓宽学生的专业知识，培养既具有扎实的经典通信理论基础，又了解通信新技术、适应能力强的通信专业人才，是通信工程人才培养方面需要重点关注的问题。

一、量子通信与本科教学

量子通信的基本思想主要由Bennett等于20世纪80年代和90年代起相继提出。量子通信技术的发展，归功于量子通信不可被解密，量子通信具有高效率和绝对安全等特点。近年来，以BB84协议和量子态隐形传输为代表的量子通信理论与实验以越来越快的速度朝实用化和商用化方向迅猛发展。可以预见，量子通信与现有通信深度融合将是未来技术发展的主流趋势。

但目前在大多数本科教学中并未引入量子通信的教学内容。主要原因归结为以下几点：

1.量子通信理论基础是量子力学，而量子力学是主要研究原子、分子、凝聚態物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。量子力学从根本上改变人类对物质结构及其相互作用的理解。它对物质的分析方法远远有别于传统的经典物理学。对于刚刚接触量子力学的人而言，往往感觉量子力学晦涩难懂，不好理解。

2.基于量子通信的研究对象往往是我们平常“看不见也摸不着”的微观系统，使学生往往纠结于抽象的理解，感觉学习难度大，学习兴趣不高。

因此，本文从量子通信技术的发展现状出发，论述如何在教学过程中引入最新的学科前沿研究热点和问题，让学生理解和掌握当今通信领域的最新技术，进而激发和培养学生的专业兴趣与创新思维。

二、教学内容的设置

量子通信主要包括量子隐形传态、量子安全通信和量子编码等内容。基于量子通信知识本身的特点，本文建议在引入量子通信教学内容时，主要从以下几个方面来开展。

1.量子力学的基础知识。理解量子比特的概念，量子纠缠、量子态的叠加性、量子相干性、量子不可克隆定理、海森堡不确定性原理和量子不可克隆性等基本原理。

2.量子信息技术基础。了解量子计算基本知识、量子通信的特点、量子信息论基本理论。掌握量子态的表示、量子信息的形式、特性及量子纠错原理。

3.了解量子隐形传态的基本思想、原理和实现方法。

4.了解经典密钥管理技术及其局限性、量子密钥的应用，理解和掌握BB84协议及其应用。

5.了解量子保密通信的安全性、发展趋势、应用前景与技术挑战。

三、教学方法的改进

由于量子通信是由量子态作为载体携带需要发送的信息，并利用量子的性质和原理来实现通信的过程。量子通信的研究对象是我们平常“看不见也摸不着”的微观系统，所以在教学过程中，由于受实验条件和环境的限制，无法将微观粒子制备、检测和编码的过程和结果展示给学生。因此，在将量子通信知识普及到本科课堂中存在种种困难。

要解决这些问题，一方面可以将先进的多媒体技术引入课堂教学中。比如利用PPT、二维动画、三维动画或其他软件技术，将图片和声音等结合起来制作出动画效果，展示教学内容，方便学生对内容的理解。常用的二维动画制作软件有Macromedia Flash、Authorware等;三维动画比较常用的软件有Autodesk公司的3DS MAX和MAYA等。利用动态演示教学内容，不仅能将抽象的知识具体化，也能产生生动活泼的效果，增强学生的学习兴趣。另一方面，可以利用仿真技术来辅助教学。例如利用Matlab软件设计一些小程序，对数据进行分析和实验仿真。通过将Matlab仿真软件引入量子通信的课程教学中，教师可以利用Matlab软件中的各种函数库、模块库以及图形界面工具，把晦涩难懂的量子通信等相关知识以图的形式显示出来;同时通过设计仿真程序，改变某些参数来观察通信系统的性能，可以进一步加深学生的理解，获得较好的教学效果。

通过上述的教学改革措施，在现有课程内容中引入量子通信技术，可以开阔学生的视野，拓展学生的发散性思维。同时利用先进的多媒体和计算机仿真教学的方式，进一步加深学生的理解，提高学生学习的主动性。在课堂教学中引入最新的学科前沿研究热点内容，对学生能力的培养和整体素质的提高起到了非常积极的作用。

参考文献：

[1]裴昌幸，朱畅华，聂敏，等.量子通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013.

[2]尼古拉.吉桑.跨越时空的骰子[M].周荣庭，译.上海科学技术出版社，2016.