Quantum Explorer – Quantentechnologien in Schulen
Derzeit erfolgt in einer Reihe von Anwendungen der Quantenphysik ein entscheidender Schritt aus der Grundlagenforschung zur Marktreife. Quantentechnologien bahnen sich als ein zentrales Feld der Ingenieurswissenschaften im 21. Jahrhundert an. Österreich ist ein internationales Zentrum der quantenphysikalischen Grundlagenforschung und spielt auch bei der Entwicklung dieser Technologien zur Marktreife eine wichtige Rolle. Zuletzt wurde diese Vorreiterrolle des Standorts durch die Verleihung des Nobelpreises an Anton Zeilinger und 2 Kollegen wieder deutlich gemacht.
In Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen und Wirtschaft sollen im Rahmen des Projekts „Quantum Explorer“ Bildungsangebote für Kinder und Jugendliche rund um Quantentechnologie und Photonik entwickelt werden. Basierend auf den etablierten Photonics Explorer Boxen werden einerseits mit vorhandenem Material neue Versuchsanleitungen zur Vermittlung von Quanteninformation und Quantentechnologie entwickelt. Um Photonics Explorer Boxen hinsichtlich der Ausrichtung auf Quantentechnologie zur erweitern, wird andererseits ein neues Set an Materialien zur Erweiterungsbox “Quantum Explorer“ zusammengestellt und Versuchsanleitungen dafür entwickelt.
Diese Versuche werden die Konzepte von Superposition, Verschränkung, Teleportation in anschaulichen Versuchen erfahrbar machen. Photonik bietet hier die didaktische Basis, um die Grundlagen der Quantentechnologie für Schüler*innen von der Volksschule bis zur Sekundarstufe II erfahrbar zu machen. Besonderer Stellenwert in der Entwicklung der Materialien wird auf Geschlechtergerechtigkeit und sozialer Inklusion gelegt. Mit diesen Materialien können Schüler*innen aller Altersgruppen, verschiedener Bildungsbiographien und Herkunft nun die faszinierende Welt der Quantenphysik und Quantentechnologie erkunden und werden so selbst zum Quantum Explorer:
- Das Interesse der Kinder und Jugendlichen für den MINT-Bereich soll unabhängig von Geschlecht und Bildungshintergrund bestärkt werden, auch im Hinblick auf die spätere Berufsorientierung. Durch aktive Teilnahme an Vermittlungsangeboten sollen sie erfahren können, wie Forschung funktioniert bzw. wie deren Ergebnisse praktisch angewendet werden können.
- Die Erfahrungen aus dem Vorgängerprojekt “Phorsch!” sowie Erkenntnisse aus dem Wissentransferzentrum Ost/Kooperationsvorhaben „MINT“ sollen in die Weiterentwicklung des Wissens- und Technologietransfers aus der Forschung in Wirtschaft und Bildung einfließen. Das Thema Photonik soll um den Schwerpunkt Quantentechnologien erweitert werden.
Zentrale Ergebnisse des Quantum Explorer Projekts
- Abhaltung von Workshops an Schulen diverser Sektoren (Volkschulen, Sekundarstufe I, II)
- Training für Lehrkräfte von interessierten Schulen in der Anwendung der Boxen
- Erweiterung des Photonics Explorers um Versuchsanleitungen und Versuche, die basierend auf dem Material des Photonics Explorers zur Vermittlung von Quantentechnologie, Quanteninformation durchgeführt werden können
- Entwicklung einer Zusatzbox, dem Quantum Explorer, der zusätzliche Workshop-Materialien beinhaltet, und weitere Konzepte der Quantentechnologie, Quanteninformation vermittelt.
- Anleitungen und Videos für Lehrkräfte und Schüler*innen für die neue Quantum Explorer Box.
- Entwicklung von Internet-of-things (IoT) Modulen die mit Quantum Random Number Generator (QRNG) Chips bestückt werden und IT affinen Schulen zur Verfügung gestellt werden.
Abbildung 1: Photonics Explorer Box
Relevanz für beteiligte Volksschulen:
In den Workshops haben die Kinder die Möglichkeit, sich durch kreatives Ausprobieren physikalischen Phänomenen anzunähern. So können sie lernen, Beobachtungen zu machen und Schlussfolgerungen zu ziehen, die dann in der Gruppe diskutiert werden können. Damit soll die Neugier der Kinder für naturwissenschaftliche Themen bestärkt werden. Ein besonderer Fokus liegt dabei auch auf Teamwork sowie auf einem diversitätsgerechten Unterricht: Rollenklischees wie „Mädchen können Mathematik und Physik nicht“ sollen thematisiert und dadurch reflektiert werden. Konzepte wie Zufall, Welle und Teilchen können spielerisch zugänglich gemacht werden.
Relevanz für beteiligte Sekundarstufen I:
In den Workshops werden Konzepte wie Zufall, Welle und Teilchencharakter von Quanten anhand von Licht erfahrbar gemacht. Einfache Konzepte der Quanteninformation wie Teleportation können anhand von anschaulichen Bildern wie dem Gedankenexperiment zu Bertlmanns Socken nähergebracht werden. „Ist der Mond da, wenn wir nicht hinschauen?“ und ähnliche Fragen wecken Interesse an der modernen Physik und werden mit Lehrmaterial begleitet. Licht als erfahrbares Medium wird eingesetzt, um den Zugang zu den Konzepten der Quanteninformation und Quantentechnologie anwendungsorientiert und erfahrbar zu machen. Die anwendungsorientierte Vermittlung ist insbesondere entscheidend, um das Interesse von Mädchen zu wecken.
Relevanz für beteiligte Sekundarstufen II und IT-affine Schulen:
Mit den Quantum Explorer Boxen können anhand von Polarisation fortgeschrittene Konzepte wie Superposition praktisch erfahrbar gemacht werden. So nähern sich Schüler*innen im Experiment den Grundlagen der Quanteninformation an und lernen die Hintergründe zu Erwin Schrödingers bekanntem Katzen-Gedankenexperiment kennen. Mit Lasern können typische Aufbauten und Experimente der Quanteninformation nicht nur auf dem Papier gezeigt, sondern schematisch selbst aufgebaut werden, und ermöglichen den Zugang zu moderner Physik und Quantentechnologie.
Für IT-affine Schulen der Sekundarstufe 2 besteht über Kooperationszuschüsse die Möglichkeit, ein echtes Quantensystem ans Haus zu holen. Die Schulen werden mit Quanten Zufallszahlen Modulen (Quantum Random Number Generator) ausgestattet, die es erlauben, „echte“ Zufallszahlen zu erzeugen.
Andererseits stehen über weitere Kooperationszuschüsse „Photonics Explorer“ und „Quantum Explorer“ Boxen für Volkschulen und Sekundarstufen I, II zur Verfügung. Die sichtbare Ausstattung von Schulen mit diesen Lernmaterialien soll Sponsoren motivieren, weitere Systeme für Schulen finanziell zu ermöglichen. Ein entsprechendes Sponsoren-Konzept wird Gegenstand des Projekts sein.