来自意大利、匈牙利、斯洛文尼亚和德国的物理教育工作者团队正在专注于一种在学校教授量子物理学的新方法。传统的课堂教学往往侧重于介绍量子物理学起源的历史,这通常会给学习者带来问题。
以量子测量过程为例,研究人员现在在 Physical Review Physics Education Research 上发表了他们关于学习量子物理学的第一个实证发现——基于双态系统。
研究人员,包括莱比锡大学的物理教育专家 Philipp Bitzenbauer 教授,专注于所谓的量子比特。这些是双态系统,是最简单的,同时也是最重要的量子系统,可用于描述许多情况。控制和操作这些量子比特在现代量子技术中起着核心作用。
根据 Bitzenbauer 的说法,到目前为止,还没有关于这些使用两种状态系统的方法在培养学习者概念理解方面的有效性的实证研究。也缺乏关于学习基于两种状态系统的不同教学方法的具体优缺点的科学研究。
“以量子测量过程(量子物理学的核心问题之一)为例,我们展示了如何开发一种调查方法,然后作为干预研究的一部分在现场使用。总的来说,专注于两国系统的教学概念似乎确实比传统方法更有利于学习,“这位莱比锡的物理教育专家说,他是该论文的第一作者。
备受讨论的课堂方法近年来,将双态系统作为理解量子物理学的起点一直是许多讨论的主题。根据 Bitzenbauer 的说法,这种方法为现代量子技术打开了大门,无论是量子密码学还是量子计算。
量子密码学的目标之一是确保通信安全,防止窃听。量子计算机可用于解决即使是超级计算机也只能在很长时间后才能解决或根本无法解决的问题,例如将大整数分解为质因数。
“我和我的团队正在努力让学童能够利用量子技术的突破性潜力,”Bitzenbauer 说。美国物理学会 (APS) 已邀请他在 2025 年 3 月在洛杉矶举行的 APS 全球物理峰会上展示该项目的成果。
Bitzenbauer 指出,2025 年将是国际量子科学与技术年:科学界可以回顾 100 年来创造世界历史的量子力学。今天,它仍然如此,尽管处于更高级的水平。科学家们正在谈论第二次量子革命,它将塑造新世纪,就像第一次量子革命塑造 20 世纪一样。
“今天的重点是从多体系统过渡到量子系统中单个电子、单个光子或更普遍的单个自由度的控制和操作。最简单和最重要的量子系统只有两个自由度,即双态系统。这是在学校教授量子物理学的起点,“研究人员说。
更多信息:Philipp Bitzenbauer 等人,设计和评估问卷以评估学习者在不同两种状态环境中对量子测量的理解:环境很重要,物理评论物理教育研究(2024 年)。DOI: 10.1103/PhysRevPhysEducRes.20.020136
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