Mit Quantengattern den Kater befreien Spielerischer Einstieg in die Quantenwelt dank Virtual Reality
Quantenalgorithmen, -gatter und -zustände: Wer bei den Vokabeln des Quantencomputings nicht in Schockstarre verfällt, gebührt ein gewisser Respekt. Angesichts der Geschwindigkeit mit der Verbünde wie das Quantum Valley Lower Saxony gerade Quantencomputer entwickeln, steigt aber gleichzeitig immer stärker der Bedarf an Quantenerfahrenen. Umso wichtiger ist es, einen niedrigschwelligen Einstieg in die Welt der Quanten anzubieten. Im Projekt QuantumVR haben Forschende der TU Braunschweig daher ein Escape Game entwickelt, in dem es dank Virtual Reality Quantengatter wortwörtlich zum Anfassen gibt.
Mit Brille, Kopfhörern und Controllern entsteht bei QuantumVR ein dichtes VR-Erlebnis. Bildnachweis: Laurenz Kötter/TU Braunschweig
In einem sterilen Labor maunzt unter einer Glaskuppel der Kater „Mr. X“. Um ihn zu befreien, muss man eine sogenannte „Q-Sphere“ in den richtigen Zustand bringen. Diese graphische Annäherung an Qubits, die Recheneinheit von Quantencomputern, stammt von IBMs Quantum Composer. Um den Drei-Qubit-Zustand in der Q-Sphere richtig einzustellen, fügt man im Spiel aus kleinen Würfeln, den Quantengattern, Stück für Stück einen Quantenalgorithmus zusammen. Was aussieht wie das Bestücken von drei Schaschlikspießen stellt tatsächlich die eigentliche Quantenprogrammierung dar. Quantengatter sind nämlich die elementaren Einheiten, mit denen ein Quantencomputer seine Operationen durchführen kann.
Der Kater „Mr. X“ wartet auf seine Befreiuung. Damit sich die Glaskuppel öffnet, muss in der Glaskugel (Q-Sphere) rechts daneben der richtige Qubit-Zustand herrschen. Bildnachweis: QuantumVR/TU Braunschweig
Selbst in Gefangenschaft hilft „Mr. X“ beim Programmieren. Der Kater ist dafür bekannt, immer das Gegenteil von dem zu machen, was man ihm sagt. Die gleiche Funktion haben die mit „X“ gekennzeichneten Würfel: Sie verdrehen die Variablen der Q-Sphere zuverlässig in ihr Gegenteil. Selbst ohne Quantenerfahrung ist so, mit ein bisschen knobeln, der Kater befreit. Mit weiteren Tieren wie dem Zebra „Miss Hadamard“ kommen weitere Programmieroptionen ins Spiel, bis schließlich alle Aufgaben gelöst und alle Tiere frei sind.
Vom Escape Game zur Ausbildung von Ingenieur*innen
Für QuantumVR arbeiten zwei Institute unterschiedlicher Fakultäten der TU Braunschweig zusammen: Das Institut für Fachdidaktik der Naturwissenschaften und das Institut für Halbleitertechnik. Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt ist dabei nur der erste Baustein einer virtuellen Aufbereitung von Quantenthemen. Vom Einstiegsspiel für Schülerinnen und Schüler beispielsweise in den MasterClasses geht der nächste Schritt in Richtung Hochschullehre.
Der Bildschirm zeigt, was man durch die VR-Brille wahrnimmt. Mit den eigenen, virtuellen Händen vor Augen, lassen sich die richtigen Quantenalgorithmen programmieren. Bildnachweis: Laurenz Kötter/TU Braunschweig
Bis Ende 2022 passt das Exzellenzcluster QuantumFrontiers das Spiel für den Einsatz in Studiengängen an der TU Braunschweig und der Leibniz Universität Hannover an. Unterstützt werden die Forschenden dabei von der Stiftung Innovation in der Hochschullehre, die das Projekt als Teil von ProDiGI fördert. Besonderes Potenzial liegt dabei in den neuen Masterstudiengängen des Exzellenzclusters mit speziellem Fokus auf Quantenthemen. Denn mit Virtual Reality ist es heute schon möglich, die Studierenden an den Quantentechnologien von Morgen experimentieren zu lassen. Dabei werden sogar Studierende an unterschiedlichen Orten digital gemeinsam an Problemen der Quantenlogik arbeiten.
