La science quantique pour les lycéens

Matthew Yeh et Jennifer Wang se souviennent à quel point ils ont été transformés par leur première exposition à une recherche scientifique de haut niveau. Ouais, un doctorat en physique appliquée. candidat à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), et Wang, titulaire d'un doctorat en génie électrique et informatique. étudiant au MIT, n'a pas envisagé de poursuivre des études scientifiques supérieures avant de participer à des activités d'enrichissement au lycée.

"Cela m'a vraiment donné un énorme sentiment de créativité et d'action auquel je n'avais jamais été exposé auparavant", a déclaré Wang. « J'ai dû lire des articles universitaires pour la première fois et synthétiser beaucoup d'informations. Tout était déroutant, et personne ne savait quelle était la réponse, et c’était super excitant.

Des étudiants du lycée Bellaire au Texas expérimentent l'immersion de LED dans de l'azote liquide dans le cadre du programme de sensibilisation « Quantum Engineering Research and You ». (Daniel Marc)

Le duo tente désormais d’être des mentors susceptibles d’inspirer la prochaine génération de chercheurs en sciences, technologies, ingénierie et mathématiques (STEM). Ils ont lancé le programme de sensibilisation « Quantum Engineering Research and You (QuERY) » pour le semestre du printemps 2022 et l'ont répété au printemps dernier, mettant en relation des étudiants du secondaire de l'alma mater de Wang à Houston, Bellaire High School, avec des étudiants diplômés et postdoctoraux actuels de MER et MIT. Professeur de physique et doctorat à l'Université de Houston. le candidat James Newland a coordonné les étudiants de Bellaire. Le projet est partiellement financé par la Harvard Quantum Initiative, codirigée par Evelyn Hu, professeur Tarr-Coyne de physique appliquée et de génie électrique à SEAS, et dont le comité exécutif comprend neuf professeurs de SEAS. Un financement supplémentaire provient du programme interdisciplinaire de science et d'ingénierie de l'information quantique du MIT Center for Quantum Engineering.

"Il est difficile de dire que vous êtes intéressé par quelque chose si vous n'y êtes pas exposé", a déclaré Yeh. « Une partie de notre philosophie consiste à utiliser le quantique comme moyen d’intéresser les gens aux STEM. Mais un autre aspect est la relation mentor-mentoré. Nous voulons que nos étudiants diplômés et postdoctoraux soient disponibles comme ressource si nos lycéens ont des questions.

Le programme utilise un format hybride dans lequel les étudiants se réunissent en personne, puis travaillent avec leurs mentors diplômés via Zoom. Ils étudient six modules différents liés à la science quantique, mais chaque module est conçu pour recadrer le matériel en quelque chose de directement lié à leur vie quotidienne.

De nos jours, les gens parlent du quantique comme s’il s’agissait de cette technologie magique du futur. Mais le quantique est déjà utilisé partout autour de nous ! Votre ordinateur est rempli de transistors qui utilisent la mécanique quantique.

Les étudiants finissent par former de petits groupes et conçoivent leurs propres expériences en utilisant le matériel qu'ils ont étudié, puis les présentent lors d'une séance d'affiches de fin de semestre à Bellaire. Une fois que les étudiants ont choisi leurs projets, Wang et Yeh les mettent en relation avec des mentors spécialisés dans des domaines similaires.

« S'ils sont intéressés par le codage, nous les mettrons en contact avec des mentors qui utilisent de nombreuses techniques de simulation », a expliqué Wang. "C'est la créativité et l'action que je souhaite vraiment voir : prendre les compétences que vous possédez, les synthétiser avec ce que vous avez appris dans le programme, puis proposer un projet guidé, mais non piloté, par le mentor diplômé."

Donner aux étudiants le pouvoir de gérer leurs propres recherches scientifiques a donné lieu à un large éventail de projets finaux liés au quantique. Les élèves du groupe scolaire ont utilisé un logiciel open source pour générer des nombres aléatoires en simulant un circuit quantique, puis ont fait de la musique en utilisant les résultats. Un autre groupe a appris à coder pour pouvoir simuler un modèle de magnétisme. Un autre groupe a expérimenté en plongeant les lumières LED dans de l'azote liquide, modifiant ainsi la couleur de la lumière émise lorsque le froid extrême modifiait la structure du réseau cristallin des lumières.

"Nous avons découvert qu'ils pouvaient faire une quantité remarquable de choses", a déclaré Yeh. « En première année, les étudiants faisaient des simulations ou de petites revues de littérature. Mais ils sont revenus au printemps dernier et voulaient faire quelque chose de leurs mains. Ils voulaient montrer quelque chose pour l’arrivée des mentors de Cambridge.