Von Bits zu Quantensprüngen
Übersicht
Auf einen Blick
Die Schüler*innen starten mit klassischer Informatik und lernen den Unterschied zwischen klassischen und Quantengattern kennen. Außerdem können sie mithilfe von Arduino klassische Logikgatter und Quantenphänomene wie Verschränkung und Superposition simulieren. Mit der Quantum Machine können sie verschiedene Quantengatter erkunden und sich gleichzeitig mit der zugrunde liegenden Mathematik befassen.
Autor*innen: Selçuk Yusuf Arslan (TR), Joachim Birk (DE), Clodagh Shine (IE), Astrinos Tsoutsoudakis (GR), Elena Vladescu (RO)
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- Klassische Computer
- Was ist ein Quantengatter und was macht es mit einem Qubit?
- Die Quantum Machine: Ein Simulator für Quantencomputing
- Simulationen
Klassische Computer – Einführung in binäre Zahlen
Die Schüler*innen entdecken, dass binäre Zahlen (Binärzahlen) die Bausteine klassischer Computer sind. Sie lernen, wie man Dezimalzahlen in Binärzahlen umwandelt und umgekehrt.
Schlüsselbegriffe: Binärzahlen, Algorithmen, Mathematik, Umwandlung von Zahlen
Unterrichtsfächer: Informatik, Physik, Technik, Mathematik
Alter: 14–18 Jahre
Erforderliche Kenntnisse/Fähigkeiten: Grundlagen der Mathematik
Dauer: eine Unterrichtsstunde (45–60 min)
| 256 | 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 | Binär | Dezimal |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | |||||
| 0 | 0 | 1 | 0 | 10 | 2 | |||||
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 100101 | 37 | |||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 111111111 | 511 |
Klassische Computer – Einführung in Logikgatter
Die Schüler*innen entdecken, dass binäre Zahlen (Binärzahlen) die Bausteine klassischer Computer sind. Sie lernen, wie verschiedene Logikgatter auf diese Bausteine wirken, indem sie am Computer mit Simulationen elektronischer Schaltkreise, die Logikgatter und Binärzahlen verknüpfen, herumexperimentieren.
Schlüsselbegriffe: Gatter, Logikgatter, and, or, not
Unterrichtsfächer: Informatik, Physik, Technik, Mathematik
Alter: 14–18 Jahre
Erforderliche Kenntnisse/Fähigkeiten: Grundlagen der Mathematik, Kenntnisse über Binärzahlen
Dauer: zwei Unterrichtsstunden (je 45–60 Minuten)
Was ist ein Quantengatter und was macht es mit einem Qubit?
Diese Unterrichtseinheit führt Schüler*innen in die grundlegenden Bausteine von Quantencomputern ein – Qubits und Quantengatter – und zeigt, wie sie sich von klassischen Bits und Logikgattern unterscheiden. Durch praktische Aktivitäten mit Simulatoren erkunden die Schüler*innen Superposition, Verschränkung sowie die Funktionsweise häufiger Gatter wie des Hadamard‑ und des CNOT‑Gatters.
Schlüsselbegriffe: Logik-Gatter, Quantengatter, Bit, Qubit
Unterrichtsfächer: Mathematik, Informatik, Physik
Alter: 14+ Jahre
Erforderliche Kenntnisse/Fähigkeiten: Grundkenntnisse der Matrizen- und Vektorrechnung
Dauer: 2 x 45 Minuten
Die Quantum Machine: Ein Simulator für Quantencomputing
Die Quantum Machine ist ein browserbasiertes Lernwerkzeug, das es ermöglicht, die Grundlagen des Quantencomputings über eine interaktive, visuelle Oberfläche zu erkunden. Sie richtet sich an Lernende, Lehrkräfte und alle, die sich für Quantenlogik interessieren, und bietet eine intuitive Möglichkeit, Quantenoperationen zu erstellen und zu simulieren – ganz ohne Programmierung.
Nach dem Simulieren können Lernende die zugrundeliegende Mathematik überprüfen und so ihr Verständnis festigen.
Schlüsselbegriffe: Quantengatter-Simulation
Unterrichtsfächer: Mathematik, Informatik
Alter: 14+ Jahre
Erforderliche Kenntnisse/Fähigkeiten: Grundkenntnisse zu Matrizen sowie ein allgemeines Verständnis des Quantencomputings sind von Vorteil
Dauer: eine Unterrichtsstunde (45 Minuten)
Simulationen
Diese Arduino‑Simulationen führen zentrale Konzepte der digitalen Logik und Informationsverarbeitung anhand einfacher Schaltungen und Mikrocontroller ein. Sie bieten einen praxisnahen Zugang, um ein erstes Verständnis für Konzepte zu entwickeln, die später im Quantencomputing wieder aufgegriffen werden: u. a. Zustände, logische Operationen und superpositionsähnliches Verhalten.
Schlüsselbegriffe: Simulation, Arduino, Visualisierung, Schaltkreise mit Tinkercad
Unterrichtsfächer: Physik, Technik, Informatik, Mathematik
Alter: 14–17 Jahre
Erforderliche Kenntnisse/Fähigkeiten: Grundlagen der Elektronik, Programmieren mit Arduino, Schalkreisdesign, Arbeiten in der virtuellen Umgebung von Tinkercad, grundlegendes Verständnis von Quantenkonzepten
Dauer: 1-2 Stunden für die ersten beiden Unterrichtseinheiten, 3-4 Stunden für die dritte Unterrichtseinheit, wenn man Verschränkung und Superposition simuliert.
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