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Quantentechnologien – ein Thema für den Physikunterricht?

    Quantentechnologien Rainer Müller ist Professor für Physikdidaktik an der TU Braunschweig

    Rainer Müller ist Professor für Physikdidaktik an der TU Braunschweig. Seit 2019 ist er koordinierend im Quantum Flagship der EU für den Bereich Education tätig.

    München – Der Deutsche Philologenverband hat für den 1. April zu einer Fachtagung zum Thema Quantenphysik nach München eingeladen. Einer der Hauptreferenten, Prof. Dr. Rainer Müller von der Technischen Universität Braunschweig fasst sein Thema für die Leserinnen und Leser für PROFIL zusammen:

    Von Prof. Dr. Rainer Müller 

    Wenn von den Zukunftstechnologien die Rede ist, die in den nächsten Jahren und Jahrzehnten die in den nächsten Jahren und Jahrzehnten die technische und wirtschaftliche Entwicklung prägen werden, fällt in letzter Zeit immer öfter das Schlagwort „Quantentechnologien“. Insbesondere der Wettlauf um die Entwicklung von Quantencomputern mit immer mehr Qubits wird von den Medien immer wieder thematisiert. In den Quantentechnologien wird die Quantenphysik von einzelnen Atomen, Photonen und supraleitenden Quantenanregungen, die bisher nur in Forschungslabors untersucht wurde, in die industrielle Anwendung gebracht und für Produkte nutzbar gemacht. Ein guter allgemeinverständlicher Überblick findet sich in der Publikation acatech HORIZONTE: Quantentechnologien (1).

    Vier Teilbereiche der Quantentechnologien 

    Üblicherweise unterscheidet man vier Teilbereiche der Quantentechnologien:
    a) Quantencomputer. Einzelne Ionen oder supraleitende Zustände werden als Qubits genutzt. Anders als die Bits der klassischen Informatik, die entweder im Zustand 0 oder im Zustand 1 sein können, lassen sich Qubits in charakteristisch quantenphysikalische Zustände bringen, in denen 0 und 1 überlagert sind. Berechnungen können dann gewissermaßen parallel ausgeführt werden. Quantencomputer können allerdings nur ganz bestimmte Aufgaben besser als klassische Computer ausführen, z. B. das Faktorisieren großer Zahlen. Sie werden daher die klassischen Computer nicht ersetzen, sondern höchstens ergänzen.
    b) Quantensensoren. In diesem Bereich werden quantenphysikalische Effekte genutzt, um Größen wie z. B. Magnetfelder viel genauer zu messen, als es heute möglich ist. Das kann man zum Beispiel für diagnostische Zwecke nutzen, etwa zur Messung von Hirnströmen.
    c) Quantenkommunikation. Mit einzelnen Photonen (den Quanten des Lichts) kann man Protokolle entwickeln, die abhörsichere Kommunikation versprechen – ein Grund die entsprechenden Technologien weiterzuentwickeln,
    d) Quantensimulation. Mit einer speziellen Art von Quantencomputern lassen sich quantenphysikalische Systeme viel effizienter simulieren als mit klassischen Computern, Für die Entwicklung von Medikamenten auf der Basis von Molekülsimulationen ist dies eine vielversprechende Perspektive.

    Quantentechnologien – Potential für die Schule 

    Um das motivierende Thema der Quantentechnologien für den Physikunterricht nutzbar zu machen, ist die Ausgangssituation günstig. Die Oberstufen-Bildungsstandards von 2020 (2) setzen im Bereich der Quantenphysik mit Inhalten wie „stochastische Vorhersagbarkeit“, „Interferenz und Superposition“ oder „Koinzidenzmethode zum Nachweis einzelner Photonen“ auf einen modernen Zugang zur Quantenphysik. Von fachdidaktischer Seite wurden bereits Angebote zu verschiedenen Inhalten entwickelt.
    Am erfolgversprechendsten für eine unmittelbare Umsetzung im Unterricht erscheint der Bereich der Quantenkryptographie. Wie erste Erfahrungen mit Schülerinnen und Schülern zeigen ist die Verschlüsselung und Entschlüsselung von geheimen Botschaften ein ungeheuer motivierendes und auch als relevant empfundenes Thema. Reisch und Franz (3) haben einen vierstündigen Unterrichtsvorschlag vorgelegt, der von klassischen Verfahren der Kryptographie ausgeht (z. B. die einfache Vertauschung von Buchstaben) und davon ausgehend die Vorteile der Verschlüsselung mittels der Quanteneigenschaften von Photonen erarbeitet werden. Dabei wird einerseits an die Lehrplaninhalte zur Polarisation von Licht angeknüpft und andererseits die typischen Eigenschaften von Quantenobjekten anhand dieser konkreten Anwendung veranschaulicht. Dieser Zugang zur Quantenkryptographie wird bereits von aktuellen Schulbüchern aufgegriffen (4).
    Für das Thema Quantencomputer gibt es derzeit noch keine einfachen Zugänge, die für die Schule geeignet wären. Das liegt in der Hauptsache daran, dass realistische Quantenalgorithmen so schwierig sind. Ein einfaches Ausprobieren und Explorieren ist jedoch schon heute möglich und sogar attraktiv, weil verschiedene Hersteller kostenlose Online-Zugänge zu echten Quantencomputern anbieten (5). Dieses motivierende Potential zu nutzen (wie z. B. in (6)), ist eine fruchtbare Herausforderung für die fachdidaktische Entwicklungsforschung.

    Literatur 

    1. Acatech. Quantentechnologie (acatech HORIZONTE) [Internet]. München; 2020. Verfügbar unter: https://www.acatech.de/publikation/acatech-horizonte-quantentechnologie/
    2. KMK, Herausgeber. Bildungsstandards im Fach Physik für die Allgemeine Hochschulreife: Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 18.06.2020. Köln: Carl Link Verlag; 2020.
    3. Reisch C, Franz T. Quantenkryptographie. Prax Naturwissenschaften – Phys Sch. 2016;65(1):11–6.
    4. Müller R, Herausgeber. Dorn/Bader Physik SII – Ausgabe 2018 für Niedersachsen. Braunschweig: Westermann; 2019.
    5. IBM Quantum Composer [Internet]. Verfügbar unter: https://quantum-computing.ibm.com/composer/docs/iqx/
    6. Müller R, Greinert F. Playing with a Quantum Computer. arXiv:21080627 [Internet]. 13. August 2021; Verfügbar unter: http://arxiv.org/abs/2108.06271

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