As we enter the post-Moore era, we experience the rise of various non-von-Neumann-architectures to address the increasing computational demand for modern applications, with quantum computing being among the most prominent and promising technologies. However, this development creates a gap in current computer science curricula since most quantum computing lectures are strongly physics-oriented and have little intersection with the remaining curriculum of computer science. This fact makes designing an appealing course very difficult, in particular for non-physicists. Furthermore, in the academic community, there is consensus that quantum computers are going to be used only for specific computational tasks (e.g., in computational science), where hybrid systems - combined classical and quantum computers - facilitate the execution of an application on both quantum and classical computing resources. A hybrid system thus executes only certain suitable parts of an application on the quantum machine, while other parts are executed on the classical components of the system. To fully exploit the capabilities of hybrid systems and to meet future requirements in this emerging field, we need to prepare a new generation of computer scientists with skills in both distributed computing and quantum computing. To bridge this existing gap in standard computer science curricula, we designed a new lecture and exercise series on Hybrid Quantum-Classical Systems, where students learn how to decompose applications and implement computational tasks on a hybrid quantum-classical computational continuum. While learning the inherent concepts underlying quantum systems, students are obligated to apply techniques and methods they are already familiar with, making the entrance to the field of quantum computing comprehensive yet appealing and accessible to students of computer science.


翻译:随着我们进入后摩尔时代,各种非冯·诺依曼架构的兴起旨在满足现代应用日益增长的计算需求,其中量子计算是最具代表性和前景的技术之一。然而,这一发展在当前的计算机科学课程体系中造成了空白,因为大多数量子计算课程过于偏向物理学导向,与计算机科学其余课程的交集甚少。这一现状使得设计一门引人入胜的课程极具挑战性,尤其对于非物理学背景的学生而言。此外,学术界普遍认为量子计算机仅将用于特定计算任务(例如计算科学领域),其中混合系统——即经典计算机与量子计算机的组合——便于在量子与经典计算资源上协同执行应用程序。混合系统因此仅在量子机器上运行应用程序中某些适合的模块,而其余部分则在系统的经典组件上执行。为充分挖掘混合系统的潜力并满足这一新兴领域的未来需求,我们需要培养新一代同时具备分布式计算与量子计算技能的计算机科学家。为填补标准计算机科学课程中的这一空白,我们设计了一套全新的《混合量子-经典系统》系列讲座与练习课程。在此课程中,学生将学习如何分解应用程序,并在混合量子-经典计算连续体上实现计算任务。在学习量子系统核心概念的同时,学生需应用其已熟悉的技术与方法,从而以全面且富有吸引力的方式进入量子计算领域,并确保计算机科学专业的学生能够轻松入门。

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量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

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