Neue Unterrichtseinheit des MINT-Lernzentrums zur Quantenphysik

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1 Neue Unterrichtseinheit des MINT-Lernzentrums zur Quantenphysik Vom Doppelspalt zum Quantencomputer Herbert Rubin & Ralph Schumacher MINT-Lernzentrum der ETH Zürich Die Lerneinheit wurde für den gymnasialen Physikunterricht der Oberstufe konzipiert und ist ab Herbst 2015 verfügbar. Das Ziel dieser Unterrichtseinheit besteht darin, den Schülerinnen und Schülern die grundlegenden Konzepte der Quantenphysik so zu vermitteln, dass sie auch in der Lage sind, die Grundlagen der Quanteninformatik zu verstehen. Unterstützt wird dieses Ziel durch Lernformen, die sich in empirischen Studien als besonders lernwirksam erwiesen haben. Die Unterrichtseinheit Vom Doppelspalt zum Quantencomputer wurde in Zusammenarbeit mit dem Team des MINT-Lernzentrums und mit der Unterstützung des Nationalen Forschungsschwerpunkts QSIT (Quantum Science and Technology), an dem die ETH Zürich als leitende Institution beteiligt ist, entwickelt und enthält Inhalte und Experimente, die aus dieser Zusammenarbeit hervorgingen. Darüber hinaus bietet sie auch einen Einblick in die aktuelle Forschung. Motivation Die Quantentheorie darf wohl als eine der erfolgreichsten Theorien in der Menschheitsgeschichte angesehen werden. Diese Theorie erlaubt sehr genaue Vorhersagen, und dennoch bleiben die so erfolgreichen Konzepte, deren sich diese Theorie bedient, rätselhaft. Nicht umsonst wird die Quantentheorie auch von den Spezialisten als nicht verstehbar beschrieben. Darin besteht aber auch für viele Wissenschaftler der besondere Reiz, denn diese Theorie offenbart uns eine gänzlich anders geartete Welt, als sie uns aus der Alltagserfahrung vertraut ist. Da wir grundsätzlich nicht in der Lage sind, die Quantenphysik zu verstehen, führt sie die Lernenden zwar an die Grenzen ihrer Vorstellungskraft, eröffnet dabei aber gänzlich neue Denkansätze zu alten philosophischen Fragen. Diese spannenden Aspekte sollten heute Bestandteil einer modernen und umfassenden Allgemeinbildung sein und deshalb auch Bestandteil des gymnasialen Curriculums. Einerseits besitzen die Schülerinnen und Schüler oft bereits diffuse Kenntnisse der modernen Physik und zeigen auch ein grosses Interesse an den Quanteneffekten, insbesondere im Zusammenhang mit philosophischen Fragen. Andererseits lassen sie sich aber auch schnell wieder vom mathematischen Formalismus abschrecken, der in vielen Lehrbüchern zur Darstellung der Quantentheorie verwendet wird. Im Gegensatz dazu will diese Lerneinheit den Lernenden die faszinierenden Konzepte der Quantenphysik verständlich machen, ohne ihnen dabei die Freude durch zu viel Spezialwissen zu nehmen, und sie darüber hinaus an den aktuellen Stand der Forschung heranführen.

2 Aufbau Die Unterrichtseinheit besteht aus vier Sequenzen mit jeweils drei Lektionen. Jede Lektion bietet unterschiedliche Vertiefungsmöglichkeiten. Dadurch lässt sich der Einsatz dieser Lerneinheit sowohl dem Vorwissen und den Bedürfnissen der Schülerinnen und Schüler als auch den Anforderungen der Lehrpläne anpassen. Überblick: Eigenschaften des Lichtes (Von Teilchen- und Wellenvorstellungen zu den Lichtquanten) Eigenschaften der Materie (Von Atommodellen und Spektren zur Wellennatur der Materie) Eigenschaften von Quantenobjekten (Unbestimmtheit, Superposition, Verschränkung) Quanteninformatik (Von Qubits, Quantengattern und Schaltkreisen zur Quantenteleportation und zur Quantenkryptografie) Die Sequenzen sind so gestaltet, dass die Unterrichtseinheit sowohl als Ganzes als auch in Teilen im Physikunterricht eingesetzt werden kann. Insbesondere werden die Schülerinnen und Schüler gezielt dazu angeleitet, sich die elementaren Konzepte der Quantentheorie aus den beobachtbaren Erscheinungen durch eigenes Nachdenken weitgehend selbst zu erschliessen. Andererseits werden die bislang unverstandenen Aspekte dieser Theorie klar dargelegt, damit angehende Studentinnen und Studenten wissen, worüber in dieser Disziplin heute geforscht wird und welchen Herausforderungen sie sich allenfalls stellen müssen. Weiterbildungsangebot Wie üblich, geben wir unsere umfangreichen Unterrichtsmaterialien nur im Zusammenhang mit einer Fortbildung ab. Damit möchten wir erreichen, dass die von uns umgesetzten Lernmethoden auch wirkungsvoll zur Anwendung kommen. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer erhalten eine Einführung in die von der modernen Lehr- und Lernforschung entwickelten und als besonders lernwirksam ausgewiesenen neuen Lernmethoden. Der Schwerpunkt bei der Besprechung der Lerneinheit liegt dabei in der Umsetzung der neuen Lernmethoden sowie im Training von deren Anwendungen. Dabei sind auch die Diskussion und der Erfahrungsaustausch in Bezug auf Fehl- bzw. Vorkonzepte wichtig. Das umfangreiche Unterrichtsmaterial ist sorgfältig ausgearbeitet und sofort einsetzbar. Es besteht aus einem Skript mit Anleitungen zum Erstellen von Schüleraufträgen für die Lehrperson, Arbeitsblättern, Aufgaben, Lesetexten, Folien und Präsentationen. Zur Veranschaulichung einiger Phänomene wurden zudem eigene Animationen entwickelt.

3 Die Inhalte im Detail Sequenz 1: Die Eigenschaften des Lichts. Hier geht es zunächst um die Frage, wie bereits bekannte Phänomene, wie die Reflexion und die Brechung des Lichtes, erklärt werden können. Dazu werden zwei konkurrierende Erklärungsmodelle, die Teilchenvorstellung von Newton und die Wellentheorie von Huygens, diskutiert. Dabei zeigen Beugungs- und Interferenzphänomene sowie der fotoelektrische Effekt die Problematik dieser beiden Erklärungsmodelle auf. Auch in dieser Sequenz kommen bei der Gestaltung von Arbeitsaufträgen besonders lernwirksame Unterrichtsmethoden zum Einsatz. Die Abbildung rechts zeigt zum Beispiel, wie der fotoelektrische Effekt mit einer Hau den Lukas -Analogie veranschaulicht und besser verständlich gemacht werden kann. Die Sequenz 1 besteht aus drei Lektionen: (1) Reflexion und Brechung; (2) Interferenzerscheinungen; (3) Fotoelektrischer Effekt. Sequenz 2: Die Eigenschaften der Materie. Hier geht es um die Frage, aufgrund welcher Beobachtungen welche Rückschlüsse auf die Struktur der Atome gezogen werden können. Die Unterrichtseinstiege und Arbeitsaufträge sind daher so gestaltet, dass die Lernenden konstruierend nachvollziehen können, welche Experimente Aufschluss über die Eigenschaften von Atomen geben. Die Situation bei der Suche nach der inneren Struktur der Atome kann mit der Frage verglichen werden, wie die Schnüre im Inneren der rechts abgebildeten Magic Tube verknüpft sein müssen, damit ihr äusseres Verhalten erklärt werden kann. Ein wichtiger Schritt ist die Erklärung der Spektrallinien. Es wird u. a. gezeigt, wie mit einfachsten Mitteln Fraunhofer sche Linien im Sonnenspektrum beobachtet werden können. Eine CD und eine blank polierte Stricknadel reichen dafür aus. In Analogie zur klassischen Mechanik wird auch gezeigt, wie die quantenhafte Energieaufnahme und -abgabe der Atome durch ein Wellenmodell der Elektronen verständlich wird. So kann z. B. die Atomhülle mit einem schwingenden Weinglas verglichen werden, woraus sich anschliessend die Bohr schen Quantenbedingungen anschaulich und einleuchtend ableiten lassen. Die Sequenz 2 besteht aus den drei Lektionen: (4) Atommodelle; (5) Spektrallinien; (6) Die Wellennatur der Materie

4 Sequenz 3: Die Eigenschaften von Quantenobjekten. Haben die beiden vorangegangenen Sequenzen die Schwierigkeiten beleuchtet, zu denen die klassischen Teilchen- und Wellenvorstellungen bei der Beschreibung der atomaren Vorgänge führen, so werden in diesem Modul neue Denkkonzepte vorgestellt, welche auch zu neuartigen Eigenschaften der Quantenobjekte führen, die in unserer Alltagserfahrung keine Entsprechungen haben. Dabei wird ersichtlich, wie mit der Einführung der Wellenfunktion einerseits Paradoxien, wie sie z. B. beim Doppelspaltversuch mit Einzelphotonen auftreten, beseitigt werden können, dafür aber auch neue Eigenschaften wie Unbestimmtheit, Superposition und Verschränkung in Kauf genommen werden müssen. Hierbei werden besonders der statistische Charakter der Vorhersagen der Quantentheorie sowie der Messprozess (Dekohärenz) und das Messproblem diskutiert. Zu den Materialien gehören u. a. Beschreibungen und Filme eines Doppelspalt- Vorführexperiments von QSIT, das sich besonders gut eignet, um den Quantencharakter des Lichtes zu zeigen und die punktweise Entstehung des Interferenzmusters zu demonstrieren. Die Sequenz 3 besteht aus den Lektionen: (7) Unbestimmtheit; (8) Superposition; (9) Verschränkung Sequenz 4: Quanteninformatik. Die Informationseinheit der klassischen Informatik, das Bit, wird hier zunächst der entsprechenden Einheit der Quanteninformatik, dem Qbit gegenüber gestellt. Damit lässt sich bereits eine erste einfache Anwendung eines Quantencomputers, eines echten Zufallsgenerators, veranschaulichen und diskutieren. Mehrere Qbits bilden ein Quantenregister. Analog zur klassischen Informatik, bedient man sich hier zur Beschreibung des Verhaltens von Quantenregistern Schaltkreisen, bestehend aus Quantengattern, sowie einer formalen Beschreibungssprache, der Dirac Notation. Besprochen werden grundlegende Operationen auf Qbits, wie die Hadamard-Transformation und das CNOT-Gatter, und die damit mögliche Verschränkung von Qbits. Damit wird es den Schülerinnen und Schülern grundsätzlich bereits möglich, aktuelle Aufsätze zu lesen und zu verstehen, z. B. was man unter Quantenteleportation versteht und wie das BB84- Protokoll der Quantenkryptografie arbeitet. Schliesslich wird auch auf die Realisierungsmöglichkeiten von Quantencomputern und den aktuellen Stand der Technik eingegangen. Mit einfachsten Mitteln und einer Anleitung von QSIT können die Schülerinnen und Schüler z. B. selbst Graphen herstellen. Diese Sequenz besteht aus den Lektionen: (10) Vom klassischen Bit zum Qbit; (11) Einfache Schaltkreise; (12) Kryptographie und Teleportation

5 Informationen zum Kurs (im HS 2015) Zielpublikum: Maturitätsschullehrpersonen für Physik Teilnehmerzahl: 5-10 Personen Kursort: ETH Zürich, MINT-Lernzentrum, Clausiusstrasse 59, 8092 Zürich Organisation: ETH Zürich, MINT-Lernzentrum Nächster Termin: 11. und 12. Dezember 2015 Kosten: auf Anfrage Anmeldung: -bis per an Weitere Informationen unter