고교에서 과목으로 도입해야 산업 성장 탄력 받아
전국적으로 학위 과정 확대되어야
중국과 경쟁 가능양자 정보 과학은 고등학교에서 거의 가르치지 않지만 이 새로운 과목은 매우 중요하다고 말한다.
교사들은 양자과학이 자연에서 가장 작은 물체에 대한 연구라는 정도로 알고 있다. 또한 정보 과학이 컴퓨터와 인터넷에 대한 학문이라는 것도 알고 있다. 교사들이 몰랐던 것은 양자 정보 과학(QIS)이 물리 과학, 수학, 컴퓨터 과학 그리고 공학을 결합한 새로운 과학 기술 분야라는 것이다.
양자 정보 과학이 휴대폰, 위성, MRI 기계, 레이저, 사이버 보안, 태양광 기술 등 수많은 일상용품의 핵심이라는 사실을 깨닫지 못했다. 물리 교사들도 이것을 몰랐기 때문에 다른 과목 교사들도 모른다는 것을 알았고 이는 K-12 학생들이 분명히 배우지 않는다는 것을 의미한다.
교사 연수를 통해 양자 정보 과학에 대해 알게 된 물리 교사들은 교실에서, 그리고 멘토링하는 교사들에게 이 개념을 더 쉽게 알려주려 했으나 중요한 장벽을 발견했다. 그것은 고등학생이 이해할 수 있는 양자 정보 과학에 관한 자료가 부족하고, 양자 정보 과학에 중점을 둔 교사 전문성 개발을 위한 제한된 자금과 기회가 제한되어 있고, 학교가 따라야 할 주 또는 연방 양자 정보 과학 표준이 부족하다는 현실이다.
이에 따라 고등학교 교사들이 양자 정보 과학을 가르칠 수 있도록 지원해 국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 약 100만 달러의 자금을 지원받았다.
이 보조금의 목표는 K-12 교육자들에게 양자 정보 과학을 가르치는 방법을 가르쳐 학생들이 양자에 관한 지식을 습득할 수 있도록 돕는 것이다. 그래서 일부 고등학교는 양자 정보 과학에 대한 과목이 개설되어 이에 대한 지식을 습득할 수 있다. 앞으로 벌어질 기술 사회를 감안하면 양자 정보 과학은 고등학교에서 물리학의 심화 과목으로 가르쳐야 한다고 말한다.
양자 작업은 어디에나 있다
사회적 관점에서 고등학교 수준에서 양자 교육에 투자해야 하는 많은 이유가 있다. 양자 정보 기술 시장은 2028년까지 440억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다.
그러나 연구에 따르면 업계에서 심각한 인재 부족 현상을 겪고 있고, 자격을 갖춘 지원자의 수보다 채용 중인 일자리의 수가 약 3배 더 많다. 해당 분야에 대한 기본 지식이 없으면 학생들이 이런 고임금 직업을 추구하는 데 방해가 될 수 있다.
연봉은 양자 엔지니어, 개발자와 과학자의 경우 약 10만 달러부터 시작한다. 양자 물리학자는 초임으로 최대 17만 달러를 벌 수 있다. 많은 산업 분야에서 양자 과학 인재가 필요하지만 가장 중요한 분야 중 하나는 국가 안보다. 역사적으로 볼 때, 정치인들이 국가 안보에 중요하다고 생각되는 노력에 투자할 때 미국에서는 엄청난 과학적, 기술적 진보가 이뤄졌다. 미국이 13년 동안 2,570억 달러를 지출한 우주 경쟁이나 4년 동안 약 300억 달러에서 500억 달러의 비용이 든 원자 폭탄을 생각해 볼 수 있다.
2016년 정부는 중국이 세계 최초의 양자 위성을 발사하고 새로운 우주와 기술 프로그램을 선보였을 때, 국가의 전략적 우위를 유지하기 위해서는 양자 정보 과학이 필요하다는 중요성을 인식했다.
또한 미군 수뇌부는 중국이 미국의 설계보다 훨씬 더 정교한 '해킹 방지' 통신 도구를 개발하기 직전에 있다고 우려했다. 이것은 위기의 시기에 어느 나라가 우주에서 지배할 것인지에 대한 질문을 제기한다.
워싱턴에 본부를 둔 싱크탱크인 신미국안보센터(Center for New American Security)는 중국이 연구 노력의 일환으로 양자 과학에 초점을 맞추면 경제적, 군사적 초강대국으로서 미국을 능가할 수 있을 것으로 경고했다.
2018년에는 양자 연구와 개발을 가속화하고 양자 정보 과학과 기술 인력 파이프라인을 개발하기 위해 국가 양자 이니셔티브 법안(National Quantum Initiative Act)이 제정되었다. 그러나 이 계획에는 인력을 어떻게 개발할 것인지에 대한 세부 사항이 부족했다.
관련 인재를 개발하는 양자 과학 교육
양자 정보 과학에 대한 새로운 국가적 초점으로 2020년에 출범한 국가 양자 네트워크(National Quantum Network)는 K-12 교육을 지원하고 조정해, 사용 가능한 학습 도구를 확장하고, 학생들이 양자 인력에서 자신의 역할을 구상할 수 있는 기회를 창출하는 데 도움을 준다.
양자 정보 과학을 접할 수 있는 가장 합리적인 장소는 고등학교 물리학 과정이다. 그러나 고등학생의 16%에서 39%는 물리학 과목이 제공되는 고등학교에 다니지 않는다.
전통적인 전문성 개발은 교사가 가르칠 준비를 하도록 돕는 것이 아니라 교사를 가르치는 데 초점을 맞춘다. 워낙 새로운 분야이기 때문에 교사들도 새로운 지식을 습득해야 한다. 그래서 교사가 배우면서 동시에 가르치는 방식을 채택하고 있다. 동료 과학 교사가 콘텐츠를 가르치는 것이 포함된다.
교사를 한 주에 교육한 다음 정보와 기술이 아직 신선할 때 다음 주에 캠프에서 학생들을 가르칠 수 있도록 하고 있다. 연구에 따르면 이 접근 방식은 교사가 훨씬 나중에야 배운 것을 시도할 수 있는 여름 워크숍을 하는 것보다 더 효과적이다.
또한 교사는 동료 과학 교사와 함께 교수법을 연습하면서 자신감을 얻을 수 있고 자신의 수업에서 이 지식을 구현할 가능성이 높아진다. 프로젝트에서 개발하는 수업은 과학, 기술, 공학, 수학과 같은 기존 스템(STEM) 커리큘럼에 포함되거나 독립적인 주제로 가르친다. 개발된 양자 정보 과학 수업의 예로는 학생들에게 초전도체와 양자 부상의 기초를 보여주는 공중 부양이 있다.
이런 개념은 바퀴를 사용하는 대신 자석을 사용해 선로 위를 조용히 떠다니는 자기 부상 열차와 같은 응용 분야에서 이미 사용되고 있다. 이런 유형의 여행에는 에너지 효율성, 탈선 횟수, 유지 보수 감소 그리고 환경에 미치는 영향 감소 등 많은 이점이 있다. 다른 수업에는 암호화와 사이버 보안에 대한 이해가 포함된다. 암호화는 의도한 수신자만 읽을 수 있도록 정보를 코딩하거나 암호화하는 기술인 반면, 사이버 보안은 장치와 네트워크에서 정보를 안전하게 유지하기 위해 취하는 프로세스 또는 절차다.
모두 접할 수 없는 교육 기회
학군과 교육자들이 양자 정보 과학 개념을 구현하기 시작함에 따라 교사들은 수업과 학생 참여의 효과에 대해 교사들로부터 피드백을 수집하고 있다.
이 피드백은 더 많은 수업에 양자 정보를 추가하는 방법을 알리는 데 사용된다. 이 새로운 교사 교육이 효과가 있다면 전국적으로 확대될 수 있다. 이런 유형의 전문성 개발은 교사가 내용을 배우고 교육 자신감을 높이는 데 필요한 시간 때문에 비용이 많이 든다. 그러나 학생들이 미래의 직업을 준비할 수 있도록 준비시키지 못하면 미국이 양자 기술 분야에서 자신의 위치를 포기하고 중국과 같은 국가가 이 분야에서 우위를 차지하게 된다면 훨씬 더 큰 비용이 들 수 있다.
양자 정보 과학은 전자 또는 광자와 같은 가장 작은 입자를 설명하는 물리학을 사용해 컴퓨팅과 관련 기술에 잠재적으로 혁명을 일으킨다. 이 분야는 새로운 장치 개발에서 데이터 암호화에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있다.
양자 정보 과학의 잠재적 응용 분야가 현실에 가까워짐에 따라 대학과 고등학교 교실의 양자 정보 과학 과정이 빠른 속도로 확장되고 있다.
물리학에서 학생들의 성과와 양자 정보 과학을 가르치고 배우는 방법을 연구하는 물리학 교육 연구원들은 누가 양자 정보 과학 교육에 접할 수 있고 현장에 참여하는 사람에게 어떤 영향을 미치는지 관심을 갖고 있다.
학생들에게 양자 정보 과학의 기초를 소개하기 위해 고안된 새로운 과정이 고등학교에서 대학원 수준에 이르기까지 전국의 학교에서 개발되고 있다. 그러나 이런 새로운 프로그램이 모든 사람에게 동등하게 접근할 수 있는 것은 아니다.
고등 교육의 격차
K-12 수준의 충분한 교육 자금 지원, 가족 재정 지원 그리고 이 복잡한 과정을 탐색하는 데 도움을 줄 수 있는 사람들과 같은 자원에 대한 접근의 불평등으로 인해 모든 사람이 대학에 갈 수 있는 특권을 갖지 못하고 있다.
이런 불평등은 과학 분야에서 훨씬 더 크며, 멘토링과 준비 격차는 학생들이 과학 경력을 추구하는 데 방해가 될 수 있고 노력하는 불우한 학생들을 밀어낼 수 있다.
예를 들어, 물리학 입문은 대학의 대부분의 과학 전공에 필요하며 도전적이고 빠르게 진행되며 상당한 양의 수학을 요구하는 것으로 잘 알려져 있다. 고등학교에서 수학 준비가 뛰어나지 않거나 1세대 대학생인 학생들은 이런 수업이 압도적이라고 느낄 수 있으며 도움을 청할 사람이 없을 수 있다.
그러나 양자 정보 과학 교육의 새로운 영역의 경우, 과학자와 교육자는 이제 처음부터 형평성을 다룰 수 있는 독특한 기회를 갖게 되었다. 이 분야의 교육이 모든 학생들에게 다가갈 수 있다면, 현재 교육 시스템을 괴롭히고 있는 구조적 불평등을 일부 해소할 수 있는 기회를 갖게 된다. 모든 배경의 학생들이 양자 정보 과학 교육에 동등하게 접근할 수 있는지 조사한 결과를 보면 몇 가지 해소되어야 할 문제들이 있다.
교육 기관의 유형, 자금 출처와 지리적 위치가 해당 기관이 양자 정보 과학 과정을 제공할 가능성과 연결되어 있는지 확인되어야 한다. 예를 들어 도시화가 심한 주에 위치한 대규모 사립대학에서 찾을 가능성이 더 높다. 일반적으로 이런 대규모 연구 중심 대학은 양자 연구 또는 개발에 종종 필요한 4년제 학위 프로그램에 다니는 데 학비가 상당히 비싸다. 더욱이 도시 학교에 다니려면 농촌 학생들이 집을 떠나 먼 거리를 여행하고 생활비의 상당한 증가에 적응해야 한다. 이는 기존의 양자 정보 과학 과정과 프로그램이 저소득층과 농촌 학생들에게 다가갈 가능성이 적다는 것을 시사한다.
어떤 사람들은 이런 최첨단 과정을 소규모 기관과 자원이 적은 기관에서 제공하기 전에 크고 부유한 기관에서 찾는 것이 자연스럽다고 생각할 수 있다.
그러나 이런 프로그램이 선발된 학생들만 계속 이용할 수 있는 한, 보수가 좋고 안정적인 취업 시장에 대한 접근과 같은 과학 학위의 혜택이 사회와 경제 그룹 간에 균등하게 분배되지 않는 시스템을 영속화할 위험이 있다.
또한 새로운 기술은 많은 이점을 가져다주지만 종종 예상치 못한 해를 초래하기도 한다. 다양한 배경을 가진 사람들의 참여가 없다면, 그런 해악은 다른 집단보다 특정 집단에 더 큰 영향을 미칠 수 있다.
정책 입안자, 교육자 그리고 연구자들은 양자 정보 과학이 골고루 접근할 수 있도록 접근성을 우선적으로 평가해야 한다. 주로 학부와 농촌 기관에서 양자 정보 과학 교육과 연구 프로그램을 구축하기 위한 집중 투자가 요구된다.
소수 인종의 양자 교육을 목표로 하는 기존 프로그램을 기반으로 확장할 수 있다. 농촌 교육에 대한 투자는 초당적 지지를 이끌어낼 수 있는 유망한 기회이기도 하다.
아직은 전국적으로 30개 미만의 고등 교육 기관에서 양자 정보 과학의 학위를 개설하고 있다. 이를 조만간 전국적으로 골고루 확대할 수 있어야 중국이 먼저 발을 들여놓은 이 분야에서 뒤처지지 않게 된다.
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