Quanteninformationstheorie im Schulunterricht

Die Quanteninformationstheorie ist ein modernes interdisziplinäres Forschungsgebiet, welches Quantentheorie und Informationswissenschaften vereint. Dabei geht es einerseits um eine systematische Untersuchung und ein besseres Verständnis der seltsamen Quanteneigenschaften, allen voran der quantenmechanischen Verschränkung, andererseits um eine praktische Nutzung dieser Effekte im Sinne der Informationsverarbeitung. In den letzten Jahren hat es dabei sowohl auf konzeptioneller als auch auf experimenteller Ebene interessante Fortschritte gegeben, welche uns einer praktischen Nutzung von Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und Quanteninformationsverarbeitung mit Quantencomputern näher bringen. In diesem Beitrag soll die Relevanz der Quanteninformationstheorie für den Schulunterricht -im Sinne eines alternativen Zugangs zur Quantenphysik- diskutiert und erste Ansätze für ein darauf basierendes Unterrichtskonzept vorgestellt werden

Quanteninformationstheorie im Schulunterricht

Die Quanteninformationstheorie ist ein modernes interdisziplinäres Forschungsgebiet, welches Quantentheorie und Informationswissenschaften vereint. Dabei geht es einerseits um eine systematische Untersuchung und ein besseres Verständnis der seltsamen Quanteneigenschaften, allen voran der quantenmechanischen Verschränkung, andererseits um eine praktische Nutzung dieser Effekte im Sinne der Informationsverarbeitung. In den letzten Jahren hat es dabei sowohl auf konzeptioneller als auch auf experimenteller Ebene interessante Fortschritte gegeben, welche uns einer praktischen Nutzung von Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und Quanteninformationsverarbeitung mit Quantencomputern näher bringen. In diesem Beitrag soll die Relevanz der Quanteninformationstheorie für den Schulunterricht -im Sinne eines alternativen Zugangs zur Quantenphysik- diskutiert und erste Ansätze für ein darauf basierendes Unterrichtskonzept vorgestellt werden

Schülervorstellungen zur Quantenphysik und zur Quanteninformationsverarbeitung

Die Quantenphysik ist mittlerweile ein fester und wichtiger Bestandteil des Physikunterrichts in der Qualifikationsphase der Sekundarstufe II. Sie wird zu den Inhaltsbereichen des Kerncurriculums der Oberstufe gezählt und somit als Kern physikalischer Bildung erachtet [1]. Anwendungen der Quan-tenphysik für Quantentechnologien wie z.B. die Quanteninformationsverarbeitung thematisieren ein aktuelles und zukunftsträchtiges Thema in Forschung und Entwicklung und bilden gleichzeitig einen möglichen Zugang zur Quantenphysik über die technische Nutzbarkeit von quantenphysikalischen Phänomenen. Vor diesem Hintergrund werden in dem Beitrag erste Ergebnisse zu Vorstellungen von Schülerinnen und Schülern zu grundlegenden Konzepten der klassischen Informationsverarbei-tung und der Quanteninformationsverarbeitung vorgestellt. Die Daten wurden im Rahmen von ein-wöchigen Physikkursen für besonders interessierte Schülerinnen und Schüler der Oberstufe erhoben. Hierzu wurde eine modifizierte Fragebogenstudie durchgeführt, bei der die Fragebögen von Schü-lerpaaren bearbeitet und die Diskussionen der Probandinnen und Probanden mittels Smartpens auf-gezeichnet wurden

Schülervorstellungen zur Quantenphysik und zur Quanteninformationsverarbeitung

Die Quantenphysik ist mittlerweile ein fester und wichtiger Bestandteil des Physikunterrichts in der Qualifikationsphase der Sekundarstufe II. Sie wird zu den Inhaltsbereichen des Kerncurriculums der Oberstufe gezählt und somit als Kern physikalischer Bildung erachtet [1]. Anwendungen der Quan-tenphysik für Quantentechnologien wie z.B. die Quanteninformationsverarbeitung thematisieren ein aktuelles und zukunftsträchtiges Thema in Forschung und Entwicklung und bilden gleichzeitig einen möglichen Zugang zur Quantenphysik über die technische Nutzbarkeit von quantenphysikalischen Phänomenen. Vor diesem Hintergrund werden in dem Beitrag erste Ergebnisse zu Vorstellungen von Schülerinnen und Schülern zu grundlegenden Konzepten der klassischen Informationsverarbei-tung und der Quanteninformationsverarbeitung vorgestellt. Die Daten wurden im Rahmen von ein-wöchigen Physikkursen für besonders interessierte Schülerinnen und Schüler der Oberstufe erhoben. Hierzu wurde eine modifizierte Fragebogenstudie durchgeführt, bei der die Fragebögen von Schü-lerpaaren bearbeitet und die Diskussionen der Probandinnen und Probanden mittels Smartpens auf-gezeichnet wurden

Die ziemlich verrückte Welt der Quantencomputer. Ein Einblick.

Der Bericht gibt einen allgemeinen Einblick in den Entwicklungsstand von Quantencomputern. Neben den Grundlagen werden u.a. Quantengatter, Quantenalgorithmen und Quantenkryptografie beleuchtet

Quantencomputer in der Schule

Was ist eigentlich ein Quantencomputer und wie kann man ihn in der Schule unterrichten? Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit diesem Thema und stellt ein Unterrichtskonzept vor, das zunächst eine Einführung in die Quantenphysik beinhaltet und anschließend die Funktionsweise der Quantencomputer skizziert. Es werden zu Beginn die wichtigsten Personen und Experimente der Quantenphysik vorgestellt und anschließend die beiden bekanntesten Quantenalgorithmen, in einer schülerInnen-gerechten Komplexität, besprochen. Die Diplomarbeit beinhaltet auch einen Theorieteil, der die quantentheoretische Funktionsweise und einen ausgewählten Algorithmus ausführlich bearbeitet, hier orientiert sich das Niveau an Lehrkräften.What is a quantum computer about and how can it be taught in secondary school? This degree thesis engages in this topic and presents an educational instruction, including an introduction to quantum physics and the functioning of a quantum computer. At first it shows the most important persons and experiments of quantum physics, followed by two popluar quantum algorithms, both presented in a pupil orientated way. In addition this degree thesis contains a theory part for teaching persons, in which the quantumtheoretic mechanics are shown

About Shor's algorithm and quantum computers

Diese Bachelorarbeit dient der Erläuterung des Shor-Algorithmus mit besonderem Augenmerk auf seine nicht-klassischen Bestandteile. Sie beinhaltet einen einführenden Teil zu theoretischer Informatik und Quantum Computing, eine detaillierte Darstellung des Algorithmus mit seinen Konstituenten wie Quantenphasenschätzung und Quantenfouriertransformation sowie eine Herleitung einer Abschätzung für die Laufzeitkomplexität des Algorithmus und einem kurzen Teil über die Schwierigkeiten bei der praktischen Umsetzung des Algorithmus, das heißt der Konstruktion von Quantencomputern.This Bachelor’s thesis focuses on the explanation of Shor’s algorithm, especially the quantum part. It encompasses an introductory part on theoretical computer science and quantum computing giving the necessary knowledge for understanding Shor’s algorithm, a detailed presentation of the algorithm itself with its constituent parts like quantum phase approximation and the quantum fourier transform, as well as a derivation of the algorithm’s running time complexity and a short part on the difficulties of constructing quantum computers that could implement Shor’s algorithm

Quantenphysik in der Schule – Was benötigen Lehrkräfte? Ergebnisse einer Delphi-Studie

Quantum physics is considered to be equally important and challenging for teaching physics at school. This paper aims to provide an empirical basis for the construction of guidelines for a teacher training course on quantum physics, which is particularly focused on teachers’ needs. The educational reconstruction for teacher education leads the presented investigation. The reconstruction is based on the analysis of existing concepts for quantum physics teaching in schools and the empirical collection of teachers’ views on them. The focus of this paper is on the collection and evaluation of teachers’ views. For this purpose, an iterative communication technique was used to collect and quantify expert opinions, the Delphi method, which is established in didactic research. As a result of the educational reconstruction, six guidelines are presented which support the lecturer in planning and conducting the teacher training. The guidelines imply an advanced training program that follows the path from classical to quantum physics with special emphasis on key experiments.Das Themengebiet Quantenphysik gilt als gleichermaßen bedeutend wie herausfordernd für den Physikunterricht in der Schule. Die Erzeugung einer empirischen Basis für die Konstruktion von Leitlinien für eine im besonderen Maße adressatenspezifische Lehrerfortbildung zum Thema Quantenphysik ist Gegenstand dieses Beitrags. Die Didaktische Rekonstruktion zur Erarbeitung von Leitlinien für Lehrerfortbildungen leitet die vorgestellte Untersuchung. Basis der Rekonstruktion bilden die Analyse von bestehenden Konzepten zum Quantenphysikunterricht in der Schule und die empirische Erhebung von Sichtweisen der Lehrenden auf diese. Der Fokus liegt in diesem Beitrag auf der Erhebung und Auswertung der Sichtweisen von Lehrenden. Zu diesem Zweck wurde eine iterative Kommunikationstechnik zur Erhebung und Quantifizierung von Expertenmeinungen verwendet, die Delphi-Methode, welche in der fachdidaktischen Forschung etabliert ist. Als Ergebnis der Didaktischen Rekonstruktion werden sechs Leitlinien vorgestellt, die Dozenten bei der Planung und Durchführung der Fortbildung unterstützen. Die Leitlinien implizieren eine Fortbildung, die den Weg von der klassischen zur Quantenphysik beschreitet und dabei Schlüsselexperimente in das Zentrum stellt

Was man von zwei Qubits über Quantenphysik lernen kann: Verschränkung und Quantenkorrelationen

In diesem Artikel wird der Zugang zur Quantenphysik über das einfachst mögliche Modellsystem, das Qubit, erweitert zu der Kombination von zwei Qubits. Dabei tritt erstmals das für die Quantenphysik zentrale Konzept der Verschränkung auf, welches nicht nur seltsame Eigenschaften der Quantenphysik illustriert, sondern auch der Schlüssel zum Verständnis von modernen Anwendungen der Quantenphysik ist. Ähnlich wie im Falle des einzelnen Qubits wird dabei versucht, die Grundprinzipien von Verschränkung und deren Anwendung mit Hilfe einfacher Mathematik und Bilder zu vermitteln, wobei Visualisierungen eine zentrale Rolle spielen. Die behandelten Themen umfassen verschränkte Zustände, Operationen und Messungen. Die möglichen physikalischen Realisierungen und Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanteninformation, werden hier kurz angesprochen, und in einer weiteren Publikation vertieft diskutiert