Nondestructive Detection of an Optical Photon

All optical detectors to date annihilate photons upon detection, thus excluding repeated measurements. Here, we demonstrate a robust photon detection scheme which does not rely on absorption. Instead, an incoming photon is reflected off an optical resonator containing a single atom prepared in a superposition of two states. The reflection toggles the superposition phase which is then measured to trace the photon. Characterizing the device with faint laser pulses, a single-photon detection efficiency of 74% and a survival probability of 66% is achieved. The efficiency can be further increased by observing the photon repeatedly. The large single-photon nonlinearity of the experiment should enable the development of photonic quantum gates and the preparation of novel quantum states of light.Comment: published online in Science Express, 14 November 201

Cooperative Learning in Videoconferencing: The Influence of Content Schemes and Cooperation Scripts on Shared External Representations and Individual Learning Outcomes

Video-conferencing is expected to become increasingly important for tele-learning environments. This study investigates how to foster cooperative learning in videoconferencing. The learning environment was a peer-teaching scenario, which demanded the learners to teach each other theories. In this study the effects of different types of support for cooperation were investigated. The main research question is how (1) content schemes and (2) cooperation scripts enhance the construction of collaborative external representations and foster learning outcomes. Re-sults indicate that content schemes as well as cooperation scripts foster the construction of shared external representations. Furthermore, the cooperation script enhances learning outcomVideokonferenzen werden in Telelernumgebungen zunehmend wichtiger. Im Rahmen dieser Studie wird untersucht, wie man kooperatives Lernen in Videokonferenzen unterstützen kann. Als Lernumgebung wurde ein Peer-Teaching Szenario gewählt, bei dem es die Aufgabe der Lernenden war, sich gegenseitig eine Theorie zu vermitteln. Dabei werden die Auswirkungen einer Unterstützung durch die Faktoren (1) Wissensschemata und (2) Kooperationsskripts auf die Erstellung einer gemeinsamen externalen Repräsentation und auf den Lernerfolg untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl Wissensschemata als auch Kooperationsskripts positive Effekte auf die Erstellung der gemeinsamen externalen Repräsentation haben. Lernende mit Kooperationsskript wiesen zusätzlich einen höheren Lernerfolg auf als Lernende ohne Kooperationsskr

Fostering collaborative knowledge construction in desktop videoconferencing. Effects of content schemes and cooperation scripts in peer teaching settings

Video-conferencing is expected to become increasingly important for tele-learning environments. In contrast to asynchronous, text-based computer-mediated communication, video-conferencing facilitates cooperation tasks that require highly frequent and continuous coordination. Typical kinds of such cooperation tasks are found in peer teaching settings. Despite the growing application of video-conferencing, only little is known about possibilities of enhancing collaboration in video-conferencing settings. This study investigates the effects of different types of support for cooperation on the learning outcomes of peer dyads in a video-conferencing scenario. The main research question is how cooperation scripts and content schemes enhance the students' cognitive activities and foster the outcomes of cooperative learning. Two factors were varied experimentally: The content scheme (with/without) and the cooperation script (with/without). 86 university students of educational psychology participated in the study. Each student of a dyad received a text dealing with a psychological theory in the field of the nature-nurture-debate. The students' tasks were (1) to teach their partners the relevant contents of their text and (2) to reflect ideas that went beyond the scope of the text. Results indicate that in particular the cooperation script en-hances learning outcomes of collaborative knowledge constructionVideokonferenzen werden für die Gestaltung netzbasierter Lernumgebungen zunehmend interessant. Im Gegensatz zu asynchroner, textbasierter computervermittelter Kommunikation, ermöglichen Videokonferenzen Kooperationsaufgaben, die einen ho-hen Grad an Koordination erfordern. Typische Beispiele hierfür sind Peer-Tutoring- bzw. Peer-Teaching Arrangements. Trotz der zunehmenden Bedeutung von Videokonferenztechnologien ist bisher nur relativ wenig hinsichtlich der Förderung kooperativen Lernens mit diesem Medium bekannt. Diese Studie untersucht die Effekte verschiedener Fördermaßnahmen auf Ergebnisse der gemeinsamen Wissenskonstruktion beim dyadischen Lernen in einer Videokonferenz. Untersucht wird hierbei der Einfluss eines Kooperationsskripts und eines inhaltlichen Strukturschemas. In einem zweifaktoriellen Design wurden die beiden Einflussfaktoren Kooperationsskript (mit/ohne) und inhaltliches Strukturschema (mit/ohne) experimentell variiert. 86 Studierende der Pädagogik nahmen an der Studie teil. Jeder Teilnehmer erhielt einen Text über eine psychologische Theorie zum Thema der Anlage-Umwelt Debatte. Die Aufgabe der Studierenden bestand darin, (1) dem Lernpartner die relevanten Inhalte des eigenen Theorietextes zu vermitteln und (2) Ideen, die über die Inhalte des Textes hinausgingen zu elaborieren. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass insbesondere das Kooperationsskript den Lernerfolg steigert. Weitere Prozessanalysen sind notwendi

Dynamical decoupling of spin ensembles with strong anisotropic interactions

Ensembles of dopants have widespread applications in quantum technology. The miniaturization of corresponding devices is however hampered by dipolar interactions that reduce the coherence at increased dopant density. We theoretically and experimentally investigate this limitation. We find that dynamical decoupling can alleviate, but not fully eliminate, the decoherence in crystals with strong anisotropic spin-spin interactions. Our findings can be generalized to all quantum systems with anisotropic g-factor used for quantum sensing, microwave-to-optical conversion, and quantum memory.Comment: Second version of the manuscript contains additional measurements, in which dynamical decoupling in the absence of strong spin-spin interactions is demonstrate

Evaluation of the interactive multimedia business simulation SPACE (Simulating Project Auditing and Controlling Excellence)

This report presents the evaluation of the computer-based simulation SPACE – Simulating Project Auditing & Controlling Excellence – which is an interactive multiedia business simulation developed in partnership by Andersen Consulting and Siemens AG. The aims of SPACE are fostering self-directed learning and the acquisition of applicable knowledge in the economic domain regarding construction and solution projects of US GAAP. The evaluation was conducted in cooperation with the Institute of Educational Psychology at the Ludwig-Maximilians-University in Munich. The aim of the evaluation was to compare the effectiveness of SPACE with a traditional classroom instruction. Therefore, a problem-based transfer task was designed which assessed learning gains with respect to applicable knowledge in the following areas: (1) strategic knowledge and problem-solving skills, that means selection of appropriate information and strategies to solve a realistic business problem, (2) basic skills to calculate POC and (3) conceptual knowledge, i.e. an understanding of principles and interconnections of concepts in the domain. 38 students of business administration participated in the evaluation. 19 students learned eight hours with SPACE, the other 19 students received a traditional classroom instruction lasting also eight hours in the same subject area of US GAAP. Results show that SPACE was significantly better with regard to strategic knowledge and applying problem solving skills. In other words, the study showed that SPACE is superior to classroom instruction in this area of knowledge acquisition and application. In the other areas of basic skills to calculate POC and conceptional knowledge, differences were not significant between the classroom instruction and SPACE. When SPACE is employed under realistic conditions, i.e. in business, it can be assumed that SPACE is even more superior to classroom instruction.Das computerbasierte Lernprogramm SPACE (Simulating Project Auditing & Controlling Excellence), eine interaktive, multimediale Simulationssoftware, wurde von Anderson Consulting und der Siemens AG entwickelt. SPACE zielt auf die Förderung selbstgesteuerten Lernens und die Vermittlung anwendbaren Wissens. Das Simulationsprogramm behandelt inhaltlich die Kalkulation von Projektdaten auf Basis von US GAAP. Die hier berichtete Evaluationsstudie hatte zum Ziel, die Effektivität von SPACE im Vergleich zu einem traditionellen Klassenzimmerunterricht festzustellen. Mit einer problemorientierten Transferaufgabe wurden folgende Dimensionen erfasst: (1) Strategisches Wissen und Problemlösefertigkeiten (hierbei ging es um die Selektion relevanter Informationen und Strategien in Bezug auf eine realistische Problemstellung), (2) Basisfertigkeiten zur Berechnung von POC und (3) konzeptionelles Wissen im Sinne eines Verständnisses von Prinzipien und Zusammenhängen innerhalb des behandelten Inhaltsgebietes. An der Studie nahmen 38 Studenten der Betriebswirtschaftslehre teil. 19 Studenten lernten in einem Zeitraum von acht Stunden mit SPACE, die anderen 19 Teilnehmer nahmen an einem achtstündigen Klassenzimmerunterricht zum selben Inhaltsbereich teil. Hinsichtlich der Dimension "Strategiewissen und Problemlösefertigkeiten" schnitten diejenigen Studenten signifikant besser ab, die mit SPACE lernten. Das Simulationsprogramm zeigte sich somit in Bezug auf diese Dimension der Wissensanwendung dem traditionellen Klassenzimmerunterricht überlegen. In den Dimensionen "Berechnung von POC" und "Konzeptionelles Wissen" ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Untersuchungsgruppen. Es ist anzunehmen, dass SPACE dem traditionellem Unterricht deutlicher überlegen ist, wenn das Lernprogramm unter realistischeren Bedingungen, d.h. in Betrieben, eingesetzt wird

Heralded Storage of a Photonic Quantum Bit in a Single Atom

Combining techniques of cavity quantum electrodynamics, quantum measurement, and quantum feedback, we have realized the heralded transfer of a polarization qubit from a photon onto a single atom with 39% efficiency and 86% fidelity. The reverse process, namely, qubit transfer from the atom onto a given photon, is demonstrated with 88% fidelity and an estimated efficiency of up to 69%. In contrast to previous work based on two-photon interference, our scheme is robust against photon arrival-time jitter and achieves much higher efficiencies. Thus, it constitutes a key step toward the implementation of a long-distance quantum network.Comment: 6 pages, 4 figure

Erbium dopants in silicon nanophotonic waveguides

The combination of established nanofabrication with attractive material properties makes silicon a promising material for quantum technologies, where implanted dopants serve as qubits with high density and excellent coherence even at elevated temperatures. In order to connect and control these qubits, interfacing them with light in nanophotonic waveguides offers unique promise. Here, we present resonant spectroscopy of implanted erbium dopants in such waveguides. We overcome the requirement of high doping and above-bandgap excitation that limited earlier studies. We thus observe erbium incorporation at well-defined lattice sites with a thousandfold reduced inhomogeneous broadening of about 1 GHz and a spectral diffusion linewidth down to 45 MHz. Our study thus introduces a novel materials platform for the implementation of on-chip quantum memories, microwave-to-optical conversion, and distributed quantum information processing, with the unique feature of operation in the main wavelength band of fiber-optic communication.Comment: 7 pages, 4 figure

Facilitating collaborative knowledge construction in computer-mediated learning with structuring tools

Collaborative knowledge construction in computer-mediated learning environments puts forward difficulties regarding what tasks learners work on and how learners interact with each other. For instance, learners who collaboratively construct knowledge in computer-mediated learning environments sometimes do not participate actively or engage in off-task talk. Computer-mediated learning environments can be endorsed with socio-cognitive structuring tools that structure the contents to be learned and suggest specific interactions for collaborative learners. In this article, two studies will be reported that applied content- and interaction-oriented structuring tools in computer-mediated learning environments based on electronic bulletin boards and videoconferencing technologies. In each study the factors "content-oriented structuring tool" and "interaction-oriented structuring tool" have been independently varied in a 2X2-factorial design. Results show that interaction-oriented structuring tools substantially foster the processes of collaborative knowledge construction as well as learning outcomes. The content-oriented structuring tools facilitate the processes of collaborative knowledge construction, but have no or negative effects on learning outcome. The findings will be discussed against the background of recent literatGemeinsame Wissenskonstruktion in computervermittelten Lernumgebungen birgt Schwierigkeiten in Bezug darauf, welche Aufgaben Lernende bearbeiten und wie sie dabei miteinander interagieren. Lernende, die gemeinsam Wissen in computervermittelten Lernumgebungen konstruieren, nehmen z. B. manchmal nicht aktiv an der Bearbeitung von Lernaufgaben teil oder beschäftigen sich mit inhaltsfremden Themen. Computervermittelte Lernumgebungen können mit Hilfe sozio-kognitiver Strukturierungswerkzeuge unterstützt werden, die die Lerninhalte vorstrukturieren und den Lernenden spezifische Interaktionen nahe legen. In diesem Beitrag werden zwei Studien berichtet, die inhalts- und interaktionsbezogene Strukturierungswerkzeuge in computervermittelten Lernumgebungen, die auf web-basierten Diskussionsforen und Videokonferenz-Technologien beruhen, zum Einsatz gebracht und analysiert haben. In jeder der Studien wurden die Faktoren "inhaltsbezogenes Strukturierungswerkzeug" und "interaktionsbezogenes Strukturierungswerkzeug" unabhängig voneinander in einem 2X2-Design variiert. Die Ergebnisse zeigen, dass interaktionsbezogene Strukturierungswerkzeuge die Prozesse sowie die Ergebnisse gemeinsamer Wissenskonstruktion substanziell fördern können. Die inhaltsbezogenen Strukturierungswerkzeuge unterstützen die Prozesse gemeinsamer Wissenskonstruktion, zeitigen aber keine oder negative Effekte auf die Lernergebnisse. Die Befunde werden vor dem Hintergrund aktueller theoretischer Ansätze diskut

Individuelle Bedingungen lebensbegleitenden Lernens

Life-long learning is an important topic not only in current political debates but also in educational-psychological theory building. Theoretical assumptions regarding life-long learning are based on research on life-span-development and research on skill acquisition. Descriptions of the concept associate life-long learning with forms of self-directed and cooperative learning. Consequently, motivational, cognitive, and social-communicative competencies of the learner play a major role. Regarding their importance for life-long learning, it is a major educational goal to foster these competencies. Here, problem-based learning environments are an important measure to foster self-directed and cooperative learning strategiesDas Thema des lebensbegleitenden Lernens spielt nicht nur in der aktuellen bildungspolitischen Diskussion eine wichtige Rolle, sondern gewinnt zunehmend auch für die Pädagogische Psychologie an Bedeutung. Theoretische Begründungszusammenhänge für das Thema ergeben sich zum einen aus Annahmen zur Entwicklung über die Lebensspanne, zum anderen aus der Expertiseforschung. Zur Eingrenzung des Konzepts des lebensbegleitenden Lernens bedient sich die Pädagogische Psychologie bereits bekannter Konstrukte wie dem selbstgesteuerten und kooperativen Lernen. Lernerseitige Kompetenzen auf motivationaler, kognitiver und sozial-kommunikativer Ebene rücken somit in den Mittelpunkt des Interesses. Fördermaßnahmen sollten die Unterstützung dieser Kompetenzen entsprechend ihrer Bedeutung für das lebensbegleitende Lernen entsprechend berücksichtigen. Die Förderung selbstgesteuerten und kooperativen Lernens im Rahmen problemorientierter Lernumgebungen wird somit im Zusammenhang lebensbegleitenden Lernens als zentral erachte

Cavity-based quantum networks with single atoms and optical photons

Distributed quantum networks will allow users to perform tasks and to interact in ways which are not possible with present-day technology. Their implementation is a key challenge for quantum science and requires the development of stationary quantum nodes that can send and receive as well as store and process quantum information locally. The nodes are connected by quantum channels for flying information carriers, i.e. photons. These channels serve both to directly exchange quantum information between nodes as well as to distribute entanglement over the whole network. In order to scale such networks to many particles and long distances, an efficient interface between the nodes and the channels is required. This article describes the cavity-based approach to this goal, with an emphasis on experimental systems in which single atoms are trapped in and coupled to optical resonators. Besides being conceptually appealing, this approach is promising for quantum networks on larger scales, as it gives access to long qubit coherence times and high light-matter coupling efficiencies. Thus, it allows one to generate entangled photons on the push of a button, to reversibly map the quantum state of a photon onto an atom, to transfer and teleport quantum states between remote atoms, to entangle distant atoms, to detect optical photons nondestructively, to perform entangling quantum gates between an atom and one or several photons, and even provides a route towards efficient heralded quantum memories for future repeaters. The presented general protocols and the identification of key parameters are applicable to other experimental systems.Comment: in Rev. Mod. Phys. (2015