고등학생을 위한 양자과학

매튜 예(Matthew Yeh)와 제니퍼 왕(Jennifer Wang)은 처음으로 높은 수준의 과학 연구를 접했을 때 그들이 얼마나 변화했는지 기억합니다. 응, 응용물리학 박사야. Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences(SEAS)의 후보자이자 전기 공학 및 컴퓨터 과학 박사인 Wang입니다. MIT 학생인 그는 고등학교에서 심화 활동에 참여할 때까지 고급 과학 학위 취득을 고려하지 않았습니다.

Wang은 “이전에는 접해보지 못했던 창의성과 선택 의지에 대한 엄청난 감각을 갖게 되었습니다.”라고 말했습니다. “처음으로 학술 논문을 읽고 많은 정보를 종합해야 했어요. 모든 것이 혼란스러웠고, 누구도 답이 무엇인지 알지 못했고 정말 흥미로웠습니다.”

텍사스의 Bellaire 고등학교 학생들은 "Quantum Engineering Research and You" 지원 프로그램 동안 액체 질소에 LED를 담그는 실험을 하고 있습니다. (다니엘 마크)

이제 두 사람은 과학, 기술, 공학, 수학(STEM) 분야의 차세대 연구자에게 영감을 줄 수 있는 멘토가 되기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 2022년 봄 학기에 "Quantum Engineering Research and You(QuERY)" 봉사 활동 프로그램을 시작했고 지난 봄에 이를 다시 반복하여 휴스턴에 있는 Wang의 모교인 Bellaire High School의 고등학생과 현재 대학원생 및 박사후 과정 학생들을 연결했습니다. SEAS와 MIT. 물리학 교사이자 휴스턴 대학교 박사. 후보 James Newland는 Bellaire의 학생들을 조정했습니다. 이 프로젝트는 SEAS의 응용 물리학 및 전기 공학과 Tarr-Coyne 교수인 Evelyn Hu가 공동 감독하고 집행 위원회에 9명의 SEAS 교수진이 포함된 Harvard Quantum Initiative에서 부분적으로 자금을 지원합니다. 추가 자금은 MIT 양자 엔지니어링 센터의 학제간 양자 정보 과학 및 엔지니어링 프로그램에서 제공됩니다.

“어떤 것에 노출되지 않으면 관심이 있다고 말하기가 어렵습니다.”라고 Yeh는 말했습니다. “우리 철학의 일부는 사람들이 STEM에 관심을 갖도록 하기 위한 수단으로 양자를 사용하는 것입니다. 하지만 또 다른 측면은 멘토-멘티 관계입니다. 우리는 고등학생들이 질문이 있는 경우 대학원생과 박사후 과정생을 리소스로 사용할 수 있도록 하고 싶습니다.”

이 프로그램은 학생들이 직접 모인 후 Zoom을 통해 대학원 멘토와 협력하는 하이브리드 형식을 사용합니다. 그들은 양자 과학과 관련된 6개의 서로 다른 모듈을 연구하지만 각 모듈은 자료를 일상 생활과 직접적으로 관련된 것으로 재구성하도록 설계되었습니다.

요즘 사람들은 양자를 마치 마법의 미래 기술인 것처럼 이야기합니다. 하지만 양자는 이미 우리 주변에서 사용되고 있습니다! 당신의 컴퓨터는 양자 역학을 활용하는 트랜지스터로 가득 차 있습니다.

학생들은 결국 소그룹을 구성하고 자신이 공부한 자료를 활용하여 자신만의 실험을 고안한 다음 Bellaire에서 학기말 포스터 세션에서 이를 발표합니다. 학생들이 프로젝트를 선택하면 Wang과 Yeh는 비슷한 분야의 전문 멘토를 연결해 줍니다.

Wang은 “코딩에 관심이 있는 경우 많은 시뮬레이션 기술을 사용하는 멘토를 배정할 것입니다.”라고 말했습니다. "이것이 제가 정말로 보고 싶은 창의성과 에이전시입니다. 당신이 가지고 있는 기술을 프로그램에서 배운 것과 종합한 다음, 대학원 멘토가 주도하지만 주도하지 않는 프로젝트를 생각해 내는 것입니다."

학생 기관에 자체 과학 연구를 맡김으로써 광범위한 양자 관련 최종 프로젝트가 만들어졌습니다. 학교 밴드의 학생들은 오픈 소스 소프트웨어 패키지를 사용하여 양자 회로를 시뮬레이션하여 난수를 생성한 다음 그 결과를 사용하여 음악을 만들었습니다. 또 다른 그룹은 자기 모델을 시뮬레이션할 수 있도록 코딩하는 방법을 배웠습니다. 또 다른 그룹에서는 LED 조명을 액체 질소에 담그고 극한의 추위로 인해 조명의 결정 격자 구조가 바뀌면서 방출되는 빛의 색상이 바뀌는 실험을 했습니다.

“우리는 그들이 할 수 있는 일이 엄청나게 많다는 것을 발견했습니다.”라고 Yeh는 말했습니다. “첫 해에 학생들은 시뮬레이션이나 간단한 문헌 검토를 했습니다. 하지만 그들은 지난 봄에 돌아와서 손으로 뭔가를 하고 싶어했습니다. 그들은 멘토들이 케임브리지에서 날아왔을 때 뭔가를 보여주고 싶었습니다.”