Durkin fait partie d’une équipe multi-institutionnelle tirant parti de la réalité virtuelle pour enseigner l’informatique quantique

Par Jenna Somers

Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, vous ne comprenez pas la mécanique quantique. Cette citation, le plus souvent attribuée au prix Nobel de physique Richard Feynman, reflète l’immense difficulté, même parmi les physiciens, à appréhender les concepts de la science quantique. Mais des chercheurs de l’Université de Floride centrale, de l’Université du Texas à Dallas et de l’Université Vanderbilt relèvent le défi de rendre ces concepts plus accessibles grâce à un nouvel outil pédagogique qui utilise la réalité virtuelle et l’apprentissage automatique pour identifier et traiter les idées fausses dans la science de l’information quantique ( QIS).

Nouveau domaine scientifique et technologique, QIS combine la physique, l’informatique, les mathématiques et l’ingénierie pour appliquer la physique quantique aux technologies de l’information. Étant donné le potentiel du QIS à transformer radicalement la collecte, le traitement et la diffusion de l’information et, par conséquent, à conduire à des améliorations en matière de sécurité et de vitesse de calcul, une main-d’œuvre QIS bien formée est nécessaire pour faire progresser la technologie de l’information et renforcer la compétitivité nationale dans ce domaine.

En réponse à ce besoin, la National Science Foundation a accordé une subvention de 927 203 $ sur trois ans à Ryan McMahan, professeur agrégé d’informatique à l’Université de Floride centrale ; Michael Kolodrubetz, professeur adjoint de physique à l’Université du Texas à Dallas ; et Kelley Durkin, professeur adjoint de recherche en enseignement et apprentissage au Vanderbilt Peabody College of Education and Human Development. Ensemble, ils exploitent QubitVR, une application de réalité virtuelle développée à l’UCF, pour enseigner l’informatique quantique aux étudiants et résoudre les idées fausses courantes qui conduisent souvent les étudiants à abandonner ce domaine.

Dans un avenir proche, l’informatique quantique est susceptible de faire progresser des domaines informatiques clés tels que la cybersécurité, l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle, a déclaré McMahan. Ces progrès auront de vastes répercussions sur les gens ordinaires dans leur vie quotidienne, comme une diminution des vols d’identité et d’informations, des expériences informatiques plus personnalisées et de meilleurs agents d’intelligence artificielle, tels qu’Alexa et Siri.

Sachant qu’un progrès technologique significatif dépend d’une formation de qualité pour la future main-d’œuvre de QIS, les chercheurs ont entamé la première étape du projet, afin de comprendre comment cette future main-d’œuvre réfléchit aux concepts qui sous-tendent QIS. Durkin est un scientifique de l’apprentissage possédant une expertise dans les pratiques d’enseignement STEM et les idées fausses des enfants en mathématiques. Depuis le début du projet en août, elle a dirigé les efforts en collaboration avec Kolodrubetz et McMahan pour concevoir une évaluation évaluant la compréhension des étudiants des concepts d’introduction au QIS et leurs idées fausses.

Kelley Durkin

Il s’agit d’un domaine relativement nouveau, il n’existe donc pas beaucoup d’évaluations pour nous aider à comprendre ce que les gens savent et ne savent pas sur la science de l’information quantique et quels sont les concepts les plus déroutants, a déclaré Durkin. Une fois que nous aurons établi la validité et la fiabilité de l’évaluation, en consultation avec un réseau de physiciens, nous espérons qu’elle pourra être utilisée dans les salles de classe à travers le pays, y compris dans les écoles secondaires, pour aider les éducateurs à avoir une meilleure idée des connaissances des élèves et des domaines nécessitant des connaissances supplémentaires. instruction.

Kolodrubetz voit souvent ses étudiants se débattre avec des concepts fondamentaux, mais complexes, de la physique quantique et reconnaît le besoin critique d’aider les étudiants et les physiciens expérimentés à visualiser ces concepts dans la pratique.

L’un des principaux défis de la physique quantique est que nous n’en avons aucune expérience quotidienne. La plupart de ce que nous pensons être vrai sur la base de notre vie dans le monde classique (par exemple, les particules n’existant qu’à un certain endroit à un moment donné ou le fait de regarder des objets ne change pas leur comportement, etc.) s’avère faux dans le monde quantique. la physique. Même la visualisation de ces effets non classiques à l’aide de représentations classiques de l’emplacement des électrons dans l’atome est un défi. Ainsi, même si les physiciens savent comment manipuler mathématiquement les règles de la physique quantique, même nous avons souvent du mal à imaginer le fonctionnement du monde quantique, a déclaré Kolodrubetz.

Dans un premier temps, l’équipe distribuera l’évaluation à une population générale représentative à l’échelle du pays, qui comprendra des étudiants universitaires et non universitaires, puis elle sera remise aux étudiants novices du QIS à l’UCF et à l’UTD. Les données collectées lors de l’évaluation informeront deux versions d’apprentissage automatique de QubitVR : une qui répond de manière proactive aux idées fausses courantes et une autre qui réagit aux erreurs des utilisateurs dans l’environnement VR pour corriger leurs idées fausses. Dirigée par Durkin, l’équipe Vanderbilt codera les idées fausses lorsque les étudiants interagissent avec l’environnement VR et commettent des erreurs dans cet environnement, ce qui améliorera encore les algorithmes d’apprentissage automatique. L’équipe prévoit également d’évaluer quelle version de QubitVR enseigne et réenseigne le mieux les concepts QIS.

Pour rendre l’environnement de formation accessible aux utilisateurs sans équipement VR, l’équipe développera également des versions de bureau et de smartphone qui, parallèlement à l’évaluation, pourraient être largement distribuées aux établissements de premier cycle et aux lycées.