Pfade durch das Unterrichtsmaterial Quantencomputing im MINT-Unterricht
Übersicht
Das Unterrichtsmaterial Quantencomputing im MINT-Unterricht ist modular aufgebaut und fächerübergreifend. Die Lehrkräfte können je nach thematischem Schwerpunkt, Vorwissen der Schüler*innen und verfügbarer Zeit zwischen verschiedenen Pfaden wählen.
Die unten aufgeführten Pfade sind Vorschläge, keine festgelegten Abläufe, und können frei angepasst werden.
Quantenschaltkreise programmieren
Dieses Tutorial stellt zwei Möglichkeiten vor Quantenschaltkreise zu programmieren: visuelles Programmieren und coden in Qiskit. Sie lernen, wie Sie einfache Quantenschaltkreise auf Simulatoren oder echten Quantencomputern erstellen, visualisieren und ausführen, mit einer schrittweisen Anleitung für die Plattformen IBM Quantum und IQM. Der Schwerpunkt liegt auf praxisorientiertem Experimentieren, das für den Einsatz im Unterricht und in der Lehrerfortbildung geeignet ist.
Zum Tutorial Quantenschaltkreise programmieren
Überblick über die verschiedenen Pfade
- Physik I
Dieser Pfad vermittelt Konzepte der Quantenphysik anhand von physikalischer Intuition, Gedankenexperimenten und Hands-on-Experimenten zur Optik; auf mathematischen Formalismus wird weitgehend verzichtet. - Physik II
Dieser Pfad legt einen stärkeren Schwerpunkt auf Anwendungen, Algorithmen und Informatik, bleibt dabei aber für den Physikunterricht zugänglich. - Mathematik
In diesem Pfad geht es um die mathematische Sprache hinter dem Quantencomputing. Es werden Kontexte aus der Physik und Informatik bemüht, um spezielle Konzepte zu veranschaulichen. - Informatik I
Dieser Pfad beginnt mit klassischen Begriffen der Informatik und führt schrittweise anhand von Simulationen und Programmieraktivitäten in das Quantencomputing ein. - Informatik II
Dieser Pfad führt Quantenalgorithmen über die Informatik ein, ausgehend von klassischen Such- und Verschlüsselungsproblemen. Er zeigt auf, wie sich mit der Quantenphysik eine Beschleunigung der Rechenzeit erzielen lässt.
Pfade mit Schwerpunkt Physik
Physik I
Empfohlen für:
- Alter: 16–18
- Vorkenntnisse: Schulphysik (Wellen, Licht); keine Vorkenntnisse über Quantencomputing erforderlich
Dieser Pfad vermittelt Konzepte der Quantenphysik anhand von physikalischer Intuition, Gedankenexperimenten und Hands-on-Experimenten zur Optik; auf mathematischen Formalismus wird weitgehend verzichtet.
- Grundlagen der Quantenphysik (45 Minuten)
- Einführung in Konzepte der Quantenmechanik (Zustand, Messprozess, Superposition, Verschränkung)
- Bezug zu klassischem Experiment = Youngs Doppelspaltexperiment
- Der Elitzur-Vaidman-Bombentest – ein Beispiel für Quantenüberlegenheit (45 Minuten)
- Gedankenexperiment: Quantenbomben detektieren anhand einer Simulation mit einem Mach-Zehnder-Interferometer
- Einführung der Begriffe Superposition und Quantenüberlegenheit
- Mit Licht spielen (90 Minuten)
- Superposition demonstrieren anhand eines realen optischen Experiments, unter Verwendung doppelbrechender Kristalle und/oder Polarisationsfilter
- Analogie: Laserstrahl = Qubit, doppelbrechende(r) Kristall(e)/Polarisationsfilter = Quantengatter
- Analogie: Mach-Zehnder-Interferometer bzw. dessen Elemente = Quantengatter. (Siehe auch Der Elitzur-Vaidman-Bombentest – ein Beispiel für Quantenüberlegenheit)
- Die Quantum Machine - Ein Simulator für Quantencomputing (45 Minuten)
Mit Quantenlogikgattern hantieren und lernen, wie diese auf ein oder zwei Qubits wirken - Simulation der Quantensuperposition und der Verschränkung (45-90 Minuten je Simulation)
Elektronische Schaltungen, die Quantensuperposition und Quantenverschränkung simulieren, entwerfen (Arduino + Tinkercad), bauen und testen - Qubits, Quantengatter und Quantenschaltkreise – aus der Informatikperspektive (3x45 Minuten für alle drei Teile)
- Einführung in Quantenschaltkreise, die zur Programmierung von Quantencomputern verwendet werden
- Mehrere Programme (Quantenschaltkreise) ausführen und die Ergebnisse auswerten
- Der Deutsch-Algorithmus: Mathematische Betrachtung (60 Minuten)
Superposition beschleunigt die Rechenzeit; das Golden-Circuit-Muster
und/oder
Der Deutsch-Algorithmus – Computational approach FEHLT NOCH (60 Minuten)
Demonstration der Beschleunigung der Rechenzeit anhand eines einfachen algorithmischen Problems
Physik II – Anwendungen und tiefere Einblicke
Empfohlen für:
- Alter: 16–18
- Vorkenntnisse: Grundkenntnisse in Physik und Mathematik; Interesse an praktischen Anwendungen und Informatik
Dieser Pfad legt einen stärkeren Schwerpunkt auf Anwendungen, Algorithmen und Informatik, bleibt dabei aber für den Physikunterricht zugänglich.
- Einfache Anwendungen: Qubits in Aktion – Codes knacken und Klima modellieren (90 Minuten)
- Anwendungsbereiche von Quantencomputern (Quantenkryptografie, Moleküldesign, Wetter- und Klimamodellierung)
- Einfache Einführung in Quantenalgorithmen (Deutsch-Jozsa, Shor, Grover) – Voraussetzung: lediglich einfache Mathematikkenntnisse
- Die Überlegenheit von Quantencomputern (45 Minuten)
- Vorstellung von Beispielen, die verdeutlichen, warum Computer bei der Lösung bestimmter Probleme schneller sein können
- Ausführung eines ersten Programms auf einem realen Quantencomputer
- Mathematische Grundlagen (30-45 Minuten pro Thema)
Wahrscheinlichkeiten, Matrizen (einschließlich Bra-Ket-Notation), Vektoren; optional: komplexe Zahlen und Bloch-Kugel - Die Quantum Machine - Ein Simulator für Quantencomputing (45 Minuten)
Mit Quantenlogikgattern hantieren und lernen, wie diese auf ein oder zwei Qubits wirken - Mit Licht spielen (90 Minuten)
- Superposition demonstrieren anhand eines realen optischen Experiments, unter Verwendung doppelbrechender Kristalle und/oder Polarisationsfilter
- Analogie: Laserstrahl = Qubit, doppelbrechende(r) Kristall(e)/Polarisationsfilter = Quantengatter
- Analogie: Mach-Zehnder-Interferometer bzw. dessen Elemente = Quantengatter. (Siehe auch Der Elitzur-Vaidman-Bombentest – ein Beispiel für Quantenüberlegenheit)
- Der Elitzur-Vaidman-Bombentest – ein Beispiel für Quantenüberlegenheit (45 Minuten)
- Gedankenexperiment: Quantenbomben detektieren anhand einer Simulation mit einem Mach-Zehnder-Interferometer
- Einführung der Begriffe Superposition und Quantenüberlegenheit
- Der Deutsch-Algorithmus: Mathematische Betrachtung (60 Minuten)
Superposition beschleunigt die Rechenzeit; das Golden-Circuit-Muster
und/oder
Der Deutsch-Algorithmus – Computational approach noch nicht online (60 Minuten)
Demonstration der Beschleunigung der Rechenzeit anhand eines einfachen algorithmischen Problems - Der Grover-Algorithmus (90-120 Minuten)
Demonstration der Beschleunigung der Rechenzeit bei Suchproblemen unter Verwendung von Superposition und Interferenz
Pfad mit Schwerpunkt Mathematik
Empfohlen für:
- Alter: 16–18
- Vorkenntnisse: Grundkenntnisse in Algebra; Interesse an abstrakten Modellen und Darstellungen
In diesem Pfad geht es um die mathematische Sprache hinter dem Quantencomputing. Es werden Kontexte aus der Physik und Informatik bemüht, um spezielle Konzepte zu veranschaulichen.
- Mathematische Grundlagen (30-45 Minuten pro Thema)
Wahrscheinlichkeiten, Matrizen (einschließlich Bra-Ket-Notation), Vektoren; optional: komplexe Zahlen und Bloch-Kugel - Klassische Informatik – Einführung in binäre Zahlen (45-60 Minuten) und Einführung in Logikgatter (2 x 45-60 Minuten)
Umgang mit Bits und Logikgattern, den Bausteinen klassischer Computer - Was ist ein Quantengatter und was macht es mit einem Qubit? (2x45 minutes)
- Die Bausteine von Quantencomputern sind Qubits und Quantengatter.
- Matrixdarstellung von Quantengattern und Vektordarstellung (oder Ket-Darstellung) von Qubits
- Umgang mit Matrizen und Vektoren/Kets erlernen
- Die Quantum Machine - Ein Simulator für Quantencomputing (45 Minuten)
Mit Quantenlogikgattern hantieren und lernen, wie diese auf ein oder zwei Qubits wirken - Die Überlegenheit von Quantencomputern (45 Minuten)
- Vorstellung von Beispielen, die verdeutlichen, warum Computer bei der Lösung bestimmter Probleme schneller sein können
- Ausführung eines ersten Programms auf einem realen Quantencomputer
- Einfache Anwendungen: Qubits in Aktion – Codes knacken und Klima modellieren (90 Minuten)
- Anwendungsbereiche von Quantencomputern (Quantenkryptografie, Moleküldesign, Wetter- und Klimamodellierung)
- Einfache Einführung in Quantenalgorithmen (Deutsch-Jozsa, Shor, Grover) – Voraussetzung: lediglich einfache Mathematikkenntnisse
- Der Deutsch-Algorithmus: Mathematische Betrachtung (60 Minuten)
Superposition beschleunigt die Rechenzeit; das Golden-Circuit-Muster
Pfade mit Schwerpunkt Informatik
Informatik I
Empfohlen für:
- Alter: 16–18
- Vorkenntnisse: Grundkenntnisse von Algorithmen oder in strukturierter Programmierung (keine Vorkenntnisse im Bereich der Quantenphysik erforderlich)
Dieser Pfad beginnt mit klassischen Begriffen der Informatik und führt schrittweise anhand von Simulationen und Programmieraktivitäten in das Quantencomputing ein.
- Einfache Anwendungen: Qubits in Aktion – Codes knacken und Klima modellieren (90 Minuten)
- Anwendungsbereiche von Quantencomputern (Quantenkryptografie, Moleküldesign, Wetter- und Klimamodellierung)
- Einfache Einführung in Quantenalgorithmen (Deutsch-Jozsa, Shor, Grover) – Voraussetzung: lediglich einfache Mathematikkenntnisse
- Klassische Informatik – Einführung in binäre Zahlen (45-60 Minuten) und Einführung in Logikgatter (2 x 45-60 Minuten)
Umgang mit Bits und Logikgattern, den Bausteinen klassischer Computer - Mit NPN-Transistoren ein NICHT-Gatter bauen und Mit Arduino einen 2-Bit-Umwandler bauen (jeweils 45-90 Minuten)
Elektronische Schaltungen, die klassische Logikgatter wie das NOT-Gatter simulieren, entwerfen (Arduino + Tinkercad), bauen und testen - Was ist ein Quantengatter und was macht es mit einem Qubit? (2x45 minutes)
- Die Bausteine von Quantencomputern sind Qubits und Quantengatter.
- Matrixdarstellung von Quantengattern und Vektordarstellung (oder Ket-Darstellung) von Qubits
- Umgang mit Matrizen und Vektoren/Kets erlernen
- Die Quantum Machine - Ein Simulator für Quantencomputing (45 Minuten)
Mit Quantenlogikgattern hantieren und lernen, wie diese auf ein oder zwei Qubits wirken - Die Überlegenheit von Quantencomputern (45 Minuten)
- Vorstellung von Beispielen, die verdeutlichen, warum Computer bei der Lösung bestimmter Probleme schneller sein können
- Ausführung eines ersten Programms auf einem realen Quantencomputer
- Qubits, Quantengatter und Quantenschaltkreise – aus der Informatikperspektive (3x45 Minuten für alle drei Teile)
- Einführung in Quantenschaltkreise, die zur Programmierung von Quantencomputern verwendet werden
- Mehrere Programme (Quantenschaltkreise) ausführen und die Ergebnisse auswerten
- Der Deutsch-Algorithmus – Computational approach noch nicht online (60 Minuten)
Demonstration der Beschleunigung der Rechenzeit anhand eines einfachen algorithmischen Problems - Der Grover-Algorithmus (90-120 Minuten)
Demonstration der Beschleunigung der Rechenzeit bei Suchproblemen unter Verwendung von Superposition und Interferenz
Informatik II
Empfohlen für:
- Alter: 16–18
- Vorkenntnisse: Grundkenntnisse von Algorithmen oder in strukturierter Programmierung (keine Vorkenntnisse im Bereich der Quantenphysik erforderlich)
Dieser Pfad führt Quantenalgorithmen über die Informatik ein, ausgehend von klassischen Such- und Verschlüsselungsproblemen. Er zeigt auf, wie sich mit der Quantenphysik eine Beschleunigung der Rechenzeit erzielen lässt.
- Einfache Anwendungen: Qubits in Aktion – Codes knacken und Klima modellieren (90 Minuten)
- Anwendungsbereiche von Quantencomputern (Quantenkryptografie, Moleküldesign, Wetter- und Klimamodellierung)
- Einfache Einführung in Quantenalgorithmen (Deutsch-Jozsa, Shor, Grover) – Voraussetzung: lediglich einfache Mathematikkenntnisse
- Einführung in Suchalgorithmen: Version mit Programmierung (120 Minuten)
- Der Deutsch-Algorithmus – Computational approach noch nicht online (60 Minuten)
Demonstration der Beschleunigung der Rechenzeit anhand eines einfachen algorithmischen Problems - Der Bernstein-Vazirani-Algorithmus - aus der Informatikperspektive (60 minutes)
Implementierung eines Quantenalgorithmus, der ein binäres Suchproblem mit weniger Abfragen löst als jede klassische Methode - Der Grover-Algorithmus (90-120 Minuten)
Demonstration der Beschleunigung der Rechenzeit bei Suchproblemen unter Verwendung von Superposition und Interferenz - RSA: Der unknackbare Code? (120 Minuten)
Es wird untersucht, wie die RSA-Verschlüsselung funktioniert und wie klassische Methoden diese Verschlüsselung knacken können. - Das Unknackbare knacken: Der Shor-Algorithmus (120 Minuten)
Einen Quantenalgorithmus zur Faktorisierung von Zahlen verwenden und dadurch verstehen, wie Quantencomputer die RSA-Verschlüsselung knacken könnten
Ausblick
Projektkoordinator Jörg Gutschank entwickelt zusammen mit unter anderem Kolleginnen und Kollegen des Leibniz Gymnasiums | Dortmund International School zusätzlich zu diesen Lernpfaden einen einjährigen Projektkurs zum Quantencomputing.
Wenn Sie über Neuigkeiten informiert bleiben möchten, können Sie unseren Newsletter zum Quantencomputing abonnieren: https://www.science-on-stage.de/quanten-computing
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