Zusammenfassung Mit dem Sycamore‐Quantenprozessor von Google gelang zum ersten Mal überzeugend ein Experiment, in dem ein Quantensystem ein Problem besser löst als derzeit verfügbare herkömmliche Supercomputer. Die Hardware basiert auf der Technologie der supraleitenden Quantenschaltkreise. Ihr wird schon länger ein besonders großes Skalierungspotenzial hin zu mehr Quantenbits bescheinigt. Der verwendete Chip besitzt 53 Qubits. Sie sind in einem zweidimensionalen quadratischen Gitter angeordnet und durch Nächste‐Nachbar‐Wechselwirkung gekoppelt. Somit stellt das Experiment einen großen technologischen Fortschritt für das gesamte Feld der Quantenwissenschaften und ‐technologien dar. Obwohl der praktische Nutzen derzeit noch gering erscheint, sind die Arbeiten des Google‐Teams ein wichtiger Schritt hin zu skalierbarem Quantenrechnen. Damit erscheint erstmals eine fehlerkorrigierte, supraleitende Quantencomputer‐Architektur in nicht allzu ferner Zukunft möglich.
Die vorliegende Masterarbeit widmet sich den physikalischen, technischen und didaktischen Grundlagen des Quantencomputings. Angesichts der zunehmenden Relevanz von Quantentechnologien in Wissenschaft und Industrie stellt sich die Frage, inwieweit grundlegende Konzepte wie Superposition, Quantenverschränkung oder Quantenschaltkreise auch im schulischen Kontext vermittelbar sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erarbeitung eines fundierten Verständnisses der quantenmechanischen Prinzipien sowie deren Übertragung auf die Funktionsweise moderner Quantencomputer. Darüber hinaus wird ein didaktisches Konzept für den Einsatz im Physikunterricht der Sekundarstufe II entwickelt. Die theoretischen Grundlagen werden durch Veranschaulichungen mit der Cloud-Technologie Qiskit ergänzt, die es ermöglicht, reale Quantencomputer zu programmieren. Im Rahmen des didaktischen Teils wird eine methodisch strukturierte Unterrichtseinheit entwickelt, die sowohl eine didaktische Reduktion als auch eine lehrplankonforme Planung berücksichtigt. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass die Einführung des Quantencomputings auch im schulischen Kontext realisierbar ist, insbesondere durch den Einsatz visueller und interaktiver Hilfsmittel. Abschließend wird ein Ausblick auf die zukünftige Relevanz des Themas im Bildungsbereich gegeben und die Erkenntnisse der Arbeit werden in einem Fazit zusammengefasst.