Quantenwissenschaft für Oberstufenschüler

Matthew Yeh und Jennifer Wang erinnern sich daran, wie verändert sie durch ihren ersten Kontakt mit hochrangiger wissenschaftlicher Forschung waren. Ja, ein Doktor der angewandten Physik. Kandidat an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und Wang, ein Ph.D. in Elektrotechnik und Informatik. Studentin am MIT, dachte erst darüber nach, höhere wissenschaftliche Abschlüsse anzustreben, als sie an bereichernden Aktivitäten in der High School teilnahm.

„Es hat mir wirklich ein enormes Gefühl von Kreativität und Entscheidungsfreiheit vermittelt, das ich vorher noch nicht erlebt hatte“, sagte Wang. „Ich musste zum ersten Mal wissenschaftliche Arbeiten lesen und viele Informationen zusammenfassen. Es war alles verwirrend und niemand wusste, wie die Antwort lautete, und das war super aufregend.“

Schüler der Bellaire High School in Texas experimentieren im Rahmen des Outreach-Programms „Quantum Engineering Research and You“ mit dem Eintauchen von LEDs in flüssigen Stickstoff. (Daniel Mark)

Das Duo versucht nun, Mentoren zu sein, die die nächste Generation von Forschern in Naturwissenschaften, Technik, Ingenieurwesen und Mathematik (STEM) inspirieren können. Sie starteten das Outreach-Programm „Quantum Engineering Research and You (QuERY)“ für das Frühjahrssemester 2022 und wiederholten es im vergangenen Frühjahr erneut, indem sie Oberstufenschüler von Wangs Alma Mater in Houston, der Bellaire High School, mit aktuellen Doktoranden und Postdoktoranden zusammenbrachten SEAS und MIT. Physiklehrer und Ph.D. der University of Houston. Kandidat James Newland koordinierte die Studenten in Bellaire. Das Projekt wird teilweise von der Harvard Quantum Initiative finanziert, die von Evelyn Hu, Tarr-Coyne-Professorin für Angewandte Physik und Elektrotechnik am SEAS, gemeinsam geleitet wird und deren Exekutivkomitee neun SEAS-Fakultäten umfasst. Zusätzliche Mittel kommen aus dem interdisziplinären Quantum Information Science and Engineering-Programm des MIT Center for Quantum Engineering.

„Es ist schwer zu sagen, dass man an etwas interessiert ist, wenn man nicht damit vertraut ist“, sagte Yeh. „Ein Teil unserer Philosophie besteht darin, Quanten als Vehikel zu nutzen, um Menschen für MINT zu interessieren. Ein weiterer Aspekt ist jedoch die Mentor-Mentee-Beziehung. Wir möchten unseren Doktoranden und Postdoktoranden als Anlaufstelle zur Verfügung stehen, wenn unsere Schüler Fragen haben.“

Das Programm verwendet ein Hybridformat, bei dem die Studierenden persönlich zusammenkommen und dann über Zoom mit ihren Mentoren für Absolventen zusammenarbeiten. Sie studieren sechs verschiedene Module mit Bezug zur Quantenwissenschaft, aber jedes Modul ist darauf ausgelegt, das Material in etwas umzuwandeln, das einen direkten Bezug zu ihrem Alltag hat.

Heutzutage spricht man von Quanten, als sei es eine magische Zukunftstechnologie. Aber Quanten werden bereits überall um uns herum eingesetzt! Ihr Computer ist mit Transistoren gefüllt, die die Quantenmechanik nutzen.

Die Studierenden bilden schließlich kleine Gruppen und entwickeln ihre eigenen Experimente, die das von ihnen untersuchte Material nutzen, und präsentieren sie dann auf einer Postersitzung am Ende des Semesters in Bellaire. Sobald die Studierenden ihre Projekte ausgewählt haben, vermitteln Wang und Yeh ihnen Mentoren, die auf ähnliche Bereiche spezialisiert sind.

„Wenn sie sich für das Programmieren interessieren, vermitteln wir ihnen Mentoren, die viele Simulationstechniken anwenden“, sagte Wang. „Das ist die Kreativität und Entscheidungsfreiheit, die ich wirklich sehen möchte: Nehmen Sie Ihre Fähigkeiten, kombinieren Sie sie mit dem, was Sie im Programm gelernt haben, und entwickeln Sie dann ein Projekt, das vom Mentor des Absolventen geleitet, aber nicht vorangetrieben wird.“

Den Studenten die Möglichkeit zu geben, ihre eigene wissenschaftliche Forschung zu gestalten, hat zu einer breiten Palette quantenbezogener Abschlussprojekte geführt. Die Schüler der Schulband verwendeten ein Open-Source-Softwarepaket, um durch die Simulation eines Quantenschaltkreises Zufallszahlen zu generieren, und machten dann mit den Ergebnissen Musik. Eine andere Gruppe lernte das Programmieren, um ein Magnetismusmodell zu simulieren. Eine andere Gruppe experimentierte damit, LED-Leuchten in flüssigen Stickstoff zu tauchen und so die Farbe des emittierten Lichts zu ändern, da die extreme Kälte die Kristallgitterstruktur der Leuchten veränderte.

„Wir haben festgestellt, dass sie eine bemerkenswerte Menge an Dingen tun konnten“, sagte Yeh. „Im ersten Jahr führten die Studierenden Simulationen oder kleine Literaturrecherchen durch. Aber sie kamen letzten Frühling zurück und wollten etwas mit ihren Händen machen. Sie wollten etwas vorzeigen, wenn die Mentoren aus Cambridge einflogen.“

QuERY ist für Junioren und Senioren konzipiert, nimmt aber auch Unterschüler auf. Das Programm hatte im ersten Jahr 25 Studenten und wuchs im vergangenen Frühjahr auf 38. Studenten mit historisch unterrepräsentierten Geschlechtsidentitäten und -erfahrungen machten die Hälfte der Gruppe aus, weit entfernt vom nationalen Durchschnitt unter Studenten, die MINT-Fächer studieren.

„Wir tragen wirklich dazu bei, die Geschlechtervielfalt in diesem Bereich auszugleichen, indem wir unterrepräsentierten Studierenden einen komfortablen Ort bieten, an dem sie ein neues Thema erkunden können“, sagte Wang. „Ihr Lehrer sagt, er glaube, dass dies die Laufbahn dieser Schüler verändern wird.“ Ich möchte dies einer neuen Gruppe von Studenten vorstellen, und ich finde, es ist eine aufregende Sache.“

Jennifer Wang, Elektrotechnik und Informatik Ph.D. Student am MIT

Matthew Yeh, Ph.D. in angewandter Physik Kandidat bei SEAS

Vier der anderen sechs QuERY-Mentoren stammen von SEAS: die Post-Baccalaureate-Forscherin Katie Barajas, der Postdoktorand David Barton und der Ph.D. für angewandte Physik. Kandidaten Scarlett Seejia Yu und Michael Haas.

„Als Mentor war ich da, um den Studenten zu helfen, den in den Vorlesungen gelehrten Stoff zu verstehen und ihr Projekt im Zusammenhang mit der Quantentechnik abzuschließen“, sagte Barajas. „Der Kern dieses Programms besteht darin, die Studierenden dazu zu bringen, wie Wissenschaftler zu denken. Indem sie von Forschern auf diesem Gebiet lernen und etwas über ihren beruflichen Werdegang erfahren, können Studierende beginnen, sich selbst als Wissenschaftler vorzustellen.“

Weitere Mentoren sind Caolan John und Daniel Mark, beide Ph.D. Physikstudenten am MIT.

„Bemerkenswert schnell haben wir gesehen, dass die Studenten mit unseren Mentoren in Kontakt blieben“, sagte Yeh. „Erst im Juni erzählte mir einer unserer Mentoren, dass einer ihrer Studenten in der Stadt sei und sich für eine Führung durch das Labor angemeldet habe.“

Nachdem zwei erfolgreiche Programme nun abgeschlossen sind, planen Wang und Yeh, QuERY im Jahr 2024 erneut zu betreiben.

„Aus dem Feedback unserer Studenten ging hervor, dass sich unser Programm im Vergleich zu früheren Aktivitäten zur Bereicherung der Naturwissenschaften persönlicher anfühlte, weil die Themen von einem Mentor betreut und nachvollzogen werden konnten“, sagte Yeh. „Wir freuen uns, dies einer neuen Gruppe von Studenten zugänglich zu machen, und ich denke, es ist eine aufregende Sache.“

Themen:Angewandte Physik, K-12, Quantentechnik

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