Quantentechnologien haben ein immer größer werdendes gesellschaftliches und industrielles Potenzial. Daher ist es wichtig, auch die allgemeine Öffentlichkeit mit einzubeziehen und so den Weg für ein erfolgreiches Quantenökosystem zu ebnen. Im Projekt GALaQSci wollen wir mit einem Smartphone-Spiel besonders Kinder und Jugendliche, aber auch alle anderen Interessierten für die spannende Welt der Quanten begeistern.
Neben dem Grundlagenwissen liegt unser Fokus auf den drei Schwerpunktsthemen des Quantum Competence Framesworks [englisch]: Quantensensorik, Quantencomputing und Quantenkommunikation.
Spielerisch am Smartphone lernen
Ziel des Projekts GALaQSci ist die Entwicklung und Bereitstellung eines kostenlosen Smartphone-Spiels, um möglichst viele Menschen auf einfache Weise zu erreichen und den Einstieg so leicht wie möglich zu gestalten.
Im Smartphone-Spiel lernen die Spielenden durch das Lösen von Rätseln die Konzepte der Quantenwissenschaft kennen und wenden diese an. Ohne physikalisches oder mathematisches Vorwissen können sich alle spielerisch mit den Quantentechnologien beschäftigen und ein Grundwissen in diesem Bereich aufbauen.
Das Spiel eignet sich sowohl dafür, einen ersten Kontakt zum Themenfeld der Quanten herzustellen als auch dafür, bereits vorhandenes Wissen zu vertiefen. Es richtet sich an Schülerinnen und Schüler, Studierende und Lehrkräfte, sowie auch an die breite Öffentlichkeit.
Personalisierung durch Künstliche Intelligenz
Durch den Einsatz einer Künstlichen Intelligenz (KI), mit welcher in Form eines Nicht‑Spieler‑Charakters (NPC – eng.: non-player-character) interagiert werden kann, wird das Spiel zu einem individuellen Erlebnis. Gemeinsam mit dieser Begleitung lernen die Spielenden nach und nach die Welt der Quanten kennen.
Fragen können so nach Bedarf und personalisiert beantwortet, und Hilfestellungen individuell in den Spielfluss integriert werden. Indem sich das Spiel dem Wissensstand der Spielenden anpasst, bleibt es auch für unterschiedliche Altersgruppen spannend.
Da aber auch die KI die Lösungen für die Rätsel nicht kennt, lernen die Spielenden hier nicht nur die Quantenphysik, sondern auch KI und die damit verbundenen Vor- und Nachteile besser kennen.
Die Realität erweitern
Im Anschluss an die Entwicklung des Spiels selbst soll eine mögliche Ergänzung durch Augmented Reality (AR) integriert werden. Insbesondere in den Levels, in denen es um echte quantentechnologische Experimente geht, kann dieser Zusatz das Erleben und Nachspielen dieser Experimente noch verständlicher und einprägsamer gestalten. Dafür kommen zusätzliche Materialien mit QR-Codes für die AR-Funktionen zum Einsatz.
Um auch hier allen einen Zugang zu gewährleisten, werden diese Materialien als 3D-Druckvorlagen oder Papierfaltpläne zur Verfügung gestellt werden. Gerade für Schulen und Museen oder wissenschaftlichen Einrichtungen bietet diese Ergänzung spannende Einsatzmöglichkeiten.
Lerneffekte studieren
Wir wollen wissen, ob die Spielenden nach dem Spielen von Qookies die Konzepte der Quantenphysik tatsächlich besser verstanden haben und welche Design-Elemente im Spiel dazu beitragen. Dafür führen wir Studien durch. Über die gesamte Laufzeit des Projekts GALaQSci sind insgesamt drei Erhebungen geplant, deren Ergebnisse ausgewertet und in öffentlich zugänglichen Journalen publiziert werden.
In unserer ersten Studie (Sommer 2024) haben wir untersucht, wie das Verhalten eines KI-Charakters den Lernzuwachs und die kognitive Belastung im Spiel beeinflusst. Wie viel dazu gelernt wurde, wurde durch Frageböge vor und nach dem Spielen erfasst. Während des Spielens wurden Eyetracking-Daten aufgezeichnet, die bspw. Auskunft darüber geben, welche Elemente besonders häufig angeschaut wurden. Natürlich haben wir diese Gelegenheit auch für allgemeines Feedback, z.B. zum Verständnis, Inhalt, Design, Spielerlebnis von den Spielenden genutzt.
Aktuell führen wir unsere zweite Studie durch, in welcher der Einfluss der Story auf das Lernen im Fokus steht. Dafür spielen Leute Qookies und füllen zu verschiedenen Zeitpunkten Fragebögen aus, die sowohl das Wissen zu Quantenphysik als auch Faktoren wie Motivation und Interesse abfragen.
Quantentechnologien – zwei Generationen
Die Anfänge der Quantenphysik gehen auf das Jahr 1900 zurück und begannen mit der Entdeckung kleinster quantifizierbarer Energiemengen in Form von Lichtteilchen, den Photonen. Seitdem haben verschiedene Quantentechnologien bereits Einzug in unser tägliches Leben gehalten. Dabei geht es hier nicht etwa um Quantencomputer, sondern um so genannte Quantentechnologien der ersten Generation, die sich die grundlegenden Quantenphänomene zunutze machen. Eine der wichtigsten Erfindungen, die auf der Quantenphysik basiert, ist beispielsweise der LASER (light amplification by stimulated emission of radiation). Auch bestimmte Leuchtdioden, die in Displays eingebaut sind, Atomuhren und die damit verbundene GPS-Navigation oder bildgebende Verfahren in der Medizin wie beispielsweise die Magnetresonanztomographie (MRT) gehören zu den Quantentechnologien der ersten Generation.
Bei den Quantentechnologien der zweiten Generation, zu denen beispielsweise Quantencomputer, Quantensensoren und die Quantenkryptographie gehören, werden Quanten dagegen gezielt erzeugt, verschränkt und manipuliert. Auf diese Weise kann man mit Quanten „rechnen“. Für Quantencomputer bedeutet dies, dass klassische Bits durch QuBits (Quanten-Bits) ersetzt werden. In Quantensensoren reagieren quantenphysikalische Systeme sehr sensibel auf kleinste Unterschiede in ihrer Umgebung, und in der Quantenkommunikation nutzt man sie zum Beispiel zur Verschlüsselung, also zum sicheren Austausch von Daten.
Insbesondere die Quantentechnologien der zweiten Generation haben daher ein stetig wachsendes gesellschaftliches und industrielles Potenzial. Um dieses Potenzial auch ausschöpfen zu können, ist es unerlässlich, der breiten Öffentlichkeit diese komplexe und abstrakte Thematik zugänglich zu machen. Genau hier setzt das Projekt GALaQSci an, indem es der allgemeinen Öffentlichkeit und bereits Jugendlichen die Grundlagen der Quantenphänomene spielerisch vermittelt und verschiedene Quantentechnologien beider Generationen vorstellt.
Aktueller Stand
Seit November 2023 arbeiten wir mit Hochdruck an der Entwicklung eines spannenden Spiels, das Interesse weckt und Verständnis für Quantentechnologien vermittelt. Bisher konnten wir bereits mehrere Testversionen entwickeln, unsere erste Studie durchführen. Die Ergebnisse werden derzeit analysiert und anschließend veröffentlicht. Außerdem haben wir an zahlreichen Veranstaltungen teilgenommen und mit der Durchführung unserer zweiten Studie begonnen.