Quantenphysik leichter verstehen

Forschende im Bereich Physik­didaktik aus Italien, Ungarn, Slowenien und Deutschland rücken einen neuen Ansatz für das Erlernen von Quantenphysik an Schulen in den Fokus. Im tradi­tionellen Unterricht liegt der Schwerpunkt bislang eher auf der Darstellung der Entstehungs­geschichte der Quantenphysik, was oft Probleme beim Lernen mit sich bringt. Am Beispiel des Quantenmess­prozesses gewannnen die Forschenden nun erste empirische Einblicke in das Lernen von Quantenphysik – ausgehend von Zwei-Zustandssystemen.

Die Forschenden, unter ihnen der Physik­didaktiker Philipp Bitzenbauer von der Universität Leipzig, konzentrieren sich dabei auf Qubits. Diese Zwei-Zustands­systeme sind die einfachsten und zugleich wichtigsten Quanten­systeme, die zur Beschreibung vieler Situationen herangezogen werden können. Die Kontrolle und Manipulation dieser Qubits ist eine zentrale Ressource bei modernen Quantentechnologien. Bisher gab es Bitzenbauer zufolge keine empirischen Untersuchungen zur Wirksamkeit dieser Zugänge über Zwei-Zustandssysteme für die Konzept­entwicklung Lernender. Ebenso fehlten bislang wissenschaftliche Studien zu den spezifischen Vor- und Nachteilen der verschiedenen Unterrichts­konzepte auf Grundlage der Zwei-Zustands­systeme für das Lernen. 

„Wir zeigen für das Beispiel des Quantenmess­prozesses, eines der zentralen Probleme der Quantenphysik, wie man ein Erhebungsverfahren entwickeln kann, das dann im Feld im Rahmen von Interventions­studien eingesetzt werden kann. Insgesamt scheinen Unterrichts­konzepte mit Fokus auf Zwei-Zustandssysteme in der Tat lernförderlicher zu sein als der traditionelle Zugang“, sagt er. Zwei-Zustands­systeme zum Ausgangspunkt für das Begreifen der Quantenphysik zu machen, wurde in den vergangenen Jahren viel diskutiert. Dabei öffnet gerade diese Herangehens­weise das Tor zu modernen Quanten­technologien, sei es die Quanten­kryptographie oder das Quantencomputing. Ziel der Quanten­kryptographie ist unter anderem eine abhörsichere Kommunikation. Mit Quanten­computing können Probleme gelöst werden, die selbst mit Supercomputern entweder nur in sehr langer Zeit oder gar nicht lösbar sind, beispiels­weise die Zerlegung großer ganzer Zahlen in Primfaktoren.

„Mein Team und ich arbeiten daran, dass Schülerinnen und Schülern das bahnbrechende Potential der Quanten­technologien zugänglich wird“, sagt Bitzenbauer. „Heute geht es um den Übergang von Vielteilchensystemen zur Kontrolle und Mani­pulation einzelner Elektronen, einzelner Photonen beziehungs­weise ganz allgemein einzelner Freiheitsgrade in einem Quantensystem. Das einfachste und zugleich wichtigste Quanten­system hat nur zwei Freiheitsgrade – das Zwei-Zustandssystem. Und das machen wir hier zum Ausgangspunkt für das Quanten­physiklernen an Schulen“, sagt er.

U. Leipzig / JOL