Badacze skupiają się na systemach dwustanowych jako obiecującym podejściu do nauczania w klasie.
Zespół nauczycieli fizyki z Włoch, Węgier, Słowenii i Niemiec jest pionierem nowego podejścia do nauczania fizyki kwantowej w szkołach. Tradycyjne metody nauczania zazwyczaj kładą nacisk na historię i pochodzenie fizyki kwantowej, co często może stwarzać wyzwania dla uczniów.
Naukowcy, w tym specjalista ds. edukacji fizycznej, profesor Philipp Bitzenbauer z Uniwersytetu w Lipsku, skupiają się na kubitach – układach dwustanowych, które są zarówno najprostszymi, jak i najważniejszymi układami kwantowymi, zdolnymi opisać wiele sytuacji. Opanowanie kontroli i manipulacji tymi kubitami ma fundamentalne znaczenie dla rozwoju nowoczesnych technologii kwantowych.
Według Bitzenbauera dotychczas nie przeprowadzono badań empirycznych nad skutecznością tych podejść wykorzystujących systemy dwustanowe w rozwijaniu rozumienia pojęciowego u uczniów. Brakuje również badań naukowych na temat konkretnych zalet i wad uczenia się różnych podejść do nauczania opartych na systemach dwupaństwowych.
„Na przykładzie procesu pomiaru kwantowego, jednego z głównych problemów fizyki kwantowej, pokazujemy, jak opracować metodę ankietową, którą można następnie zastosować w terenie w ramach badań interwencyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, koncepcje nauczania skupiające się na systemach dwupaństwowych rzeczywiście wydają się bardziej sprzyjać uczeniu się niż podejście tradycyjne” – mówi specjalistka ds. edukacji fizycznej z Lipska, która jest pierwszą autorką artykułu.
Sprawa układów dwustanowych w nauczaniu fizyki kwantowej
Uczynienie układów dwustanowych punktem wyjścia do zrozumienia fizyki kwantowej było w ostatnich latach przedmiotem wielu dyskusji. Według Bitzenbauera takie podejście otwiera drzwi do nowoczesnych technologii kwantowych, czy to kryptografii kwantowej, czy obliczenia kwantowe. Jednym z celów kryptografii kwantowej jest zabezpieczenie komunikacji przed podsłuchem. Komputery kwantowe można wykorzystać do rozwiązywania problemów, które nawet superkomputery mogą rozwiązać dopiero po bardzo długim czasie lub wcale, takich jak rozbicie dużych liczb całkowitych na czynniki pierwsze.
„Mój zespół i ja pracujemy nad udostępnieniem uczniom w wieku szkolnym przełomowego potencjału technologii kwantowych” – mówi Bitzenbauer. Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS) zaprosiło go do zaprezentowania wyników projektu na konferencji Światowy Szczyt Fizyki APS w Los Angeles w marcu 2025 r.
Bitzenbauer zwraca uwagę, że rok 2025 będzie Międzynarodowym Rokiem Nauki i Technologii Kwantowej: społeczność naukowa może spojrzeć wstecz na 100 lat tworzenia historii świata przez mechanikę kwantową. I robi to nadal, choć na bardziej zaawansowanym poziomie. Naukowcy mówią o drugiej rewolucji kwantowej, która ukształtuje nowe stulecie w taki sam sposób, w jaki pierwsza rewolucja kwantowa ukształtowała wiek XX. „Dziś skupiamy się na przejściu od układów wielociałowych do kontroli i manipulacji pojedynczymi elektronami, pojedynczymi fotonami lub, bardziej ogólnie, pojedynczymi stopniami swobody w układzie kwantowym. Najprostszy i najważniejszy układ kwantowy ma tylko dwa stopnie swobody – układ dwustanowy. I to jest punkt wyjścia do nauczania fizyki kwantowej w szkołach” – mówi badacz.
Odniesienie: „Projekt i ocena kwestionariusza oceniającego zrozumienie przez uczniów pomiaru kwantowego w różnych kontekstach dwustanowych: kontekst ma znaczenie”, autor: Philipp Bitzenbauer, Sergej Faletič, Marisa Michelini, Kristóf Tóth i Gesche Pospiech, 29 października 2024 r., Przegląd fizyczny Badania dotyczące edukacji fizycznej.
DOI: 10.1103/PhysRevPhysEducRes.20.020136
