Μεταπηδήστε στο περιεχόμενο

Κβαντική Υπολογιστική και Πληροφορία στη Μέση Εκπαίδευση: Σεμινάριο για εκπαιδευτικούς ΠΕ03, ΠΕ04,ΠΕ86

Το Διατμηματικό Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών «Δίκτυα και Πολυπλοκότητα» του ΑΠΘ πραγματοποιεί σεμινάριο, με θέμα

«Κβαντική Υπολογιστική και Πληροφορία στη Μέση Εκπαίδευση».

Ο στόχος της σεμιναρίου είναι να μπορέσουν οι εκπαιδευτικοί της Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης να εντάξουν στις σκέψεις και στις δράσεις τους το σύγχρονο πλαίσιο λειτουργίας επιστήμης, τεχνολογίας, μηχανικής, τέχνης, μαθηματικών και οικονομικών (STEAMΕ). Η εισαγωγή των δραστηριοτήτων STEAME στα εργαστήρια δεξιοτήτων και η εισαγωγή της κβαντομηχανικής στο Αναλυτικό πρόγραμμα του Λυκείου από την σχολική χρονιά 2022-2023 καθιστά σαφές ότι το εκπαιδευτικό σύστημα πρέπει να εμβολιαστεί με καινοτόμα στοιχεία που εναρμονίζουν τους νέους με το σημερινό πραγματικό κόσμο.

 Διάρκεια – Χρονοδιάγραμμα σεμιναρίου

Το σεμινάριο διάρκειας 36 ωρών πραγματοποιείται εξ αποστάσεως (ZOOM), σε χρονικό διάστημα περίπου δώδεκα (12) εβδομάδων. Συγκεκριμένα: Έναρξη: 4 Φεβρουαρίου. Λήξη: 22 Απριλίου.

Συντονιστική επιτροπή

Ανεστόπουλος Κωνσταντίνος ΣΕΕ του Π.Ε.Κ.Ε.Σ. Στερεάς Ελλάδας Αντωνίου Ιωάννης καθηγητής ΑΠΘ

Βενάρδος Παντελής ΣΕΕ του Π.Ε.Κ.Ε.Σ. Κεντρικής Μακεδονίας Ευαγγελόπουλος Αναστάσιος ΣΕΕ του Π.Ε.Κ.Ε.Σ. Κεντρικής Μακεδονίας Πουλάκης Δημήτριος καθηγητής ΑΠΘ

Σταυρινίδης Σταύρος καθηγητής ΔΙΠΑΕ Χανιάς Μιχαήλ αν. καθηγητής ΔΙΠΑΕ

Εισηγητές

Ανεστόπουλος Κωνσταντίνος ΣΕΕ ΠΕ03 του Π.Ε.Κ.Ε.Σ. Στερεάς Ελλάδας Αντωνίου Ιωάννης καθηγητής ΑΠΘ

Κοσμίδης Ανέστης υποψήφιος διδάκτωρ ΑΠΘ Πουλάκης Δημήτριος καθηγητής ΑΠΘ

Σαριγκιόλης Λάζαρος υποψήφιος διδάκτωρ ΑΠΘ Τζουνάκης Παναγιώτης υποψήφιος διδάκτωρ ΑΠΘ

Δηλώσεις συμμετοχής στη φόρμα: https://forms.gle/XfDS8U2cS8LAfzas9

Οι αιτήσεις θα γίνονται δεκτές μέχρι 10 Φεβρουαρίου 2023. Πληροφορίες:

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΕΜΙΝΑΡΙΟΥ Σάββατο 09:00-12:00
14/2/23Πίνακες, ανάστροφος πίνακας, συζυγής πίνακας, πράξεις πινάκων.    Ανεστόπουλος
211/2/23Αντίστροφος πίνακας, Ορίζουσες.
318/2/23Πίνακες ως γραμμικοί μετασχηματισμοί διανυσμάτων, Ιδιοτιμές και Ιδιοδιανύσματα πινάκων, εφαρμογές με Geogebra. Ορθογώνιοι και Ορθομοναδιαίοι πίνακες, συμμετρικοί και ερμιτιανοί πίνακες. Τανυστικό Γινόμενο Διανυσμάτων και Πινάκων.
44/3/23Τρείς μαθηματικές καινοτομίες: η κβαντική πιθανότητα,η παρατήρηση των ιδιοτιμών πινάκων, η μέτρηση ιδιοτιμής οδηγεί το σύστημα στο αντίστοιχο ιδιοδιάνυσμα. Τέσσερις υπολογιστικοί πόροι: η αβεβαιότητα του Heisenberg,οι καταστάσεις της γάτας του Schroedinger,η εν πλαισίω ανάλυση, η διεμπλοκή.      Αντωνίου Τζουνάκης
511/3/23Λειτουργία του κβαντικού υπολογιστή και του κβαντικού διαδικτύου. Οι κβαντικές πληροφορίες καταχωρούνται στη μνήμη που είναι το τανυστικό γινόμενο διδιάστατων διανυσματικών χώρων (qubits). Η επεξεργασία της κβαντικής πληροφορίας γίνεται μέσω κβαντικών πυλών που περιγράφονται ως ορθομοναδιαίοι πίνακες (πύλες).
618/3/23Απλά παίγνια σε σύγκριση με τα αντίστοιχα κλασσικά παίγνια: κβαντικό νόμισμα, κβαντική τρίλιζα,αφοπλισμός κβαντικής βόμβας.Κοσμίδης Σαριγκιόλης
71/4/23
88/4/23Πλεονεκτήματα της κβαντικής κρυπτογραφίας σε σχέση με την κλασσική κρυπτογραφία. Ο αλγόριθμος του Shor και οι αλγόριθμοι διανομής δημοσίου κλειδιού.Πουλάκης
922/4/23Σύνοψη Συζήτηση 
1029/4/23  

Η αξιολόγηση-αποτίμηση του σεμιναρίου θα γίνει με ερωτηματολόγιο στο τέλος.

Στους/στις εκπαιδευτικούς που θα συμμετέχουν στο σεμινάριο θα δοθεί βεβαίωση παρακολούθησης του σεμιναρίου.

Το σεμινάριο θα υλοποιηθεί χωρίς δαπάνη για το Δημόσιο και για τους συμμετέχοντες.

Παρακαλούνται οι Διευθυντές των σχολικών μονάδων να ενημερώσουν σχετικά τους εκπαιδευτικούς του κλάδου ΠΕ03-ΠΕ04-ΠΕ086 που ανήκουν στο Σχολείο τους.

Με Τιμή

Η Συντονιστική επιτροπή

Η ανάγκη για το σεμινάριο

Πολύ μεγάλα χρηματικά ποσά επενδύονται στην κβαντική επεξεργασία πληροφορίας ακόμα και από χώρες μικρότερου μεγέθους (ενδεικτικά Ισραήλ, Σιγκαπούρη, Ν. Κορέα), ενώ χώρες όπως η Γερμανία, η Κίνα, η

Ινδία, οι ΗΠΑ, το Η.Β., η Γαλλία έχουν ήδη ξεπεράσει το 1 δισ. ευρώ η καθεμία τους. Αντίστοιχα οι επιστημονικές δημοσιεύσεις – αναφορές και αιτήσεις για νέα διπλώματα ευρεσιτεχνίας (patents) εμφανίζουν καμπύλες εντυπωσιακής ανάπτυξης. Ιδιαίτερη δραστηριότητα (έρευνα και τεχνολογική ανάπτυξη, παροχή υπηρεσιών, εκπαίδευση επιστημονικού-τεχνικού δυναμικού, δικτύωση ακαδημαϊκής-ερευνητικής κοινότητας με την βιομηχανία και την αγορά) εμφανίζουν οι τεχνολογικοί κολοσσοί IBM, Google, Microsoft, Amazon. Ήδη λειτουργούν δίκτυα συνεργασιών με κορυφαία πανεπιστήμια και πελάτες μεγάλες βιομηχανίες και εταιρίες (ενδεικτικά Mitsubishi Chemical, ExxonMobil, Daimler για την ΙΒΜ, Toshiba, Ford, Toyota Tsusho για την Microsoft). Ως «παίκτες» στην κβαντική πληροφορία εμφανίζονται 53 κυβερνητικοί και μη-κερδοσκοπικοί φορείς, 221 νεοφυείς και ιδιωτικές εταιρίες, 29 μεγάλες εισηγμένες σε χρηματιστήρια εταιρίες, 162 πανεπιστημιακοί-ερευνητικοί φορείς σε 29 χώρες.

Συχνά οι κβαντικές τεχνολογίες περιλαμβάνονται στις πλέον υποσχόμενες αναδυόμενες τεχνολογίες παγκοσμίως και σε αυτές που ενδέχεται να εισαχθούν στην αγορά εργασίας μέχρι το 2025, εξελίσσοντας περαιτέρω την ήδη ψηφιακή οικονομία και κοινωνία. Ήδη όμως παρατηρείται στην παγκόσμια αγορά εργασίας έλλειψη σε θέσεις μηχανικών σχετικών με τις κβαντικές τεχνολογίες, καθώς πολυεθνικές εταιρείες, με μεγάλες επενδύσεις στην έρευνα και την ανάπτυξη, ψάχνουν πως μπορούν να βελτιώσουν την παραγωγικότητά τους και να κερδίσουν στρατηγικό πλεονέκτημα έναντι των ανταγωνιστών τους υιοθετώντας κβαντικές τεχνολογίες αιχμής. Δράσεις ανάπτυξης εκπαιδευτικών προγραμμάτων εξειδικευμένων στην Κβαντική Πληροφορία έχουν ήδη θεσμοθετηθεί στις ΗΠΑ.

Η σκοπιμότητα εισαγωγής των κβαντικών υπολογιστών στη Μέση Εκπαίδευση τεκμηριώνεται από την ανάγκη έγκαιρης εξοικείωσης του ελληνικού μελλοντικού επιστημονικού και τεχνικού δυναμικού στο γνωστικό αντικείμενο της κβαντικής πληροφορίας, η οποία αποτελεί έναν από τους τεχνολογικούς πυλώνες της 4ης Βιομηχανικής Επανάστασης (4IR). Ειδικότερα:

  • Η κβαντική υπολογιστική αναγνωρίζεται ως επαναστατική τεχνολογία με εφαρμογές σε άλλα επιστημονικά πεδία αιχμής (νανο/βιο-τεχνολογία, γενετική, φαρμακευτική, χημεία & τεχνολογία υλικών, κ.α.). Έχει ήδη αποκτήσει μεγάλο ειδικό βάρος στις πολιτικές έρευνας και ανάπτυξης στην Ευρώπη και γενικότερα στον ανεπτυγμένο κόσμο.
  • Σήμερα, που έχει ήδη πιστοποιηθεί η κβαντική υπεροχή (quantum advantage) με σκληρό ανταγωνισμό μεταξύ τεχνολογικών κολοσσών (IBM vs Google), περνάμε στην περίοδο ωριμότερης ανάπτυξης. Έχουμε την ευκαιρία να εντάξουμε το αυριανό ελληνικό επιστημονικό δυναμικό εγκαίρως στο πλαίσιο της 4ης Βιομηχανικής Επανάστασης (awareness σημαντικό για την επιλογή κλάδου πανεπιστημιακών σπουδών και επαγγελματικού προσανατολισμού).
  • Ο εκπαιδευτικός έχει άμεση πρόσβαση μέσω του σύγχρονου γρήγορου Internet/Web, και των ελεύθερα διαθέσιμων εργαλείων που διαθέτουν και υποστηρίζουν οι τεχνολογικοί γίγαντες (ΙΒΜ, Microsoft, Google). στους κβαντικούς επεξεργαστές . Τα εργαλεία αυτά ήδη τα αγκαλιάζουν πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα παγκοσμίως. Ενδεικτική είναι η εξάπλωση του κινήματος για Ελεύθερο Λογισμικό/Λογισμικό Ανοικτού Κώδικα (ΕΛ/ΛΑΚ) και στο πεδίο του Quantum Computing.
  • Υπάρχει προηγούμενο ανάλογων δράσεων στο εξωτερικό: ΙΒΜ Qiskit Camps/Hackathons, Φιλανδική περίπτωση EU project με ανάπτυξη εκπαιδευτικού υλικού QC για μαθητές. Πρόσφατη καταγραφή αριθμεί 10 ενεργά προγράμματα και 6 ηλεκτρονικές συλλογές εκπαιδευτικού υλικού γνωστών εταιριών και πανεπιστημίων κατάλληλα για μαθητές.
  • Ιδιαίτερη μνεία αξίζει στη δράση “Qubit by Qubit” του αμερικανικού εκπαιδευτικού οργανισμού “The Coding School” ο οποίος – μέσα στην πανδημία του κορονοϊού – οργανώνει με μεγάλη επιτυχία ετήσια τηλε-εκπαιδευτικά προγράμματα QC τα οποία μετρούν συμμετοχές 5.000 ως 7.000 μαθητών, φοιτητών και επαγγελματιών. Τα προγράμματα αυτά περιλαμβάνουν εβδομαδιαίες θεωρητικές διαλέξεις και τηλε- εργαστήρια και σε κάποιες χώρες κατοχυρώνονται ως σχολικά μαθήματα. Υπάρχει παγκόσμια συμμετοχή εκπαιδευόμενων, με κριτήρια επιλογής που διασφαλίζουν αντιπροσωπευτική συμμετοχή ίσων ευκαιριών ανεξαρτήτως φύλου, φυλής ή γεωγραφικής περιοχής.
  • Οι βασικές αρχές της κβαντομηχανικής διδάσκονται ήδη στην δευτεροβάθμια εκπαίδευση στην Ολλανδία. Η σχετική εμπειρία καταδεικνύει ότι πρωτεύει η έμφαση στην κατανόηση των βασικών εννοιών.
  • Το παγκοσμίως αναγνωρισμένο Perimeter Institute for Theoretical Physics του Καναδά παρουσίασε πρόσφατα, σειρά διαλέξεων κβαντικής θεωρίας, ειδικά σχεδιασμένων για μαθητές Λυκείου. Οι 4 σχετικές διαλέξεις διάρκειας 4 ωρών εκάστη, δεν απαιτούν γνώσεις πανεπιστημιακού επιπέδου από τους εκπαιδευόμενους. Ήδη από το 2ο μάθημα οι μαθητές μπορούσαν να πραγματευτούν έννοιες όπως ο χώρος Hilbert, η διεμπλοκή, το θεώρημα Bell και η αρχή της αβεβαιότητας.
  • Η «έκθεση» των μαθητών στην κβαντική επεξεργασία πληροφορίας είναι πλέον αναγκαία συνιστώσα της μαθησιακής μεθοδολογίας STEM (Science -Technology – Engineering – Mathematics, Επιστήμη – Τεχνολογία – Μηχανική – Μαθηματικά) καθώς συνδυάζει τα μαθηματικά με την κβαντική φυσική και την επιστήμη υπολογιστών.
  • Παιδαγωγικές μελέτες σημειώνουν ότι με χρήση κατάλληλου λογισμικού η διδασκαλία βασικών εννοιών της κβαντικής φυσικής και πληροφορίας μπορεί να καταστεί εύληπτη σε μαθητές της Μέσης Εκπαίδευσης χωρίς να χρειαστεί ο καθηγητής να επεκταθεί σε σύνθετες μαθηματικές έννοιες. Χαρακτηριστικό είναι το βιβλίο “Q is for Quantum” του Terry Rundolph, όπου παρουσιάζεται αναλυτικά πως ένας μαθητής μπορεί να κατανοήσει βασικές έννοιες της κβαντικής πληροφορικής και των κβαντικών αλγόριθμων (π.χ. αλγόριθμοι Deutsch-Josza και Grover) με βασικές γνώσεις της άλγεβρας και της θεωρίας πινάκων, όπως ο ίδιος ο συγγραφέας εξηγεί γλαφυρά.
  • Οι σημερινοί μαθητές είναι ήδη «ψηφιακοί ιθαγενείς» (#DigitalNatives), έχοντας γεννηθεί και μεγαλώσει σε μια κοινωνία με αυτονόητη την ψηφιακή αλληλεπίδραση. Λίγοι άνθρωποι είναι σήμερα «κβαντικοί μετανάστες» (#QuantumImmigrants), δηλαδή προσπαθούν να εξοικειωθούν με την κβαντική πληροφορία και επεξεργασία. Όμως οι επόμενες γενιές μαθητών που θα είναι «κβαντικοί ιθαγενείς» (#QuantumNatives), χρειάζονται σχολεία που θα λειτουργούν στο πλαίσιο της κβαντικής πραγματικότητας.

Σημειώνεται ότι η γνώση της Κβαντικής Επεξεργασίας δεν περιορίζεται στην αποτελεσματικότερη αλγοριθμική επίλυση προβλημάτων και στην συνακόλουθη τεχνολογική ανάπτυξη, αλλά συμβάλει και στην κατανόηση της λειτουργίας του νου. Ο «κβαντικός νους» είναι ένα πλαίσιο κατανόησης και περιγραφής των νοητικών λειτουργιών που είναι εγγύτερα στην πραγματικότητα σε σχέση με τα «κλασσικά» υπολογιστικά μοντέλα των νοητικών λειτουργιών. Στην επερχόμενη δεκαετία η σύνδεση κβαντικών υπολογιστών, τεχνητής νοημοσύνης, λειτουργίας εγκεφάλου και ανάλυσης μεγάλων δεδομένων είναι η μεγαλύτερη πρόκληση.

Πώς εισάγεται το γνωστικό αντικείμενο των Κβαντικών Υπολογιστών στη ΜΕ:

Η διδασκαλία της Κβαντικής Επεξεργασίας Πληροφορίας επιδέχεται εργαστηριακά πειράματα, επιδείξεις και πολυμεσικές παρουσιάσεις για την καλύτερη κατανόηση από τους μαθητές. Με τους (κλασσικούς) Η/Υ και το διαδίκτυο είναι εφικτή απομακρυσμένη πρόσβαση σε κβαντικούς υπολογιστές, προσομοιώσεις εργαστηριακών πειραμάτων και ηλεκτρονικές πολυμεσικές / διαδραστικές παρουσιάσεις πάνω από το Web. Αναλόγως των υγειονομικών συνθηκών -περιορισμών μαθητές εντός σχολικών εργαστηρίων Η/Υ μπορούν να έχουν αντίστοιχη πρόσβαση, με την καθοδήγηση καθηγητή, πάνω από το Πανελλήνιο Σχολικό Δίκτυο (ΠΣΔ). Η επιτυχία και βιωσιμότητα μιας τέτοιας δράσης εξαρτάται από 3 παράγοντες:

  1. Διαθεσιμότητα Πληροφοριακής (υλικό, λογισμικό) και Επικοινωνιακής (ΠΣΔ – Διαδίκτυο) υποδομής ικανής να υποστηρίξει virtual-online laboratories. Στρατηγική επιλογή θα ήταν η αξιοποίηση των Υπηρεσιών του ΠΣΔ για την στέγαση του εκπαιδευτικού υλικού σε ιστοχώρο που θα συνέβαλε καθοριστικά στην βιωσιμότητα και συντήρηση του καθώς α) οι εκπαιδευτικοί είναι ήδη εξοικειωμένοι με το ΠΣΔ και τις υπηρεσίες του, β) οι απαραίτητες υποδομές (υλικό, λογισμικό, δίκτυα) συντηρούνται παγίως και αξιόπιστα κεντρικά από το Υπουργείο Παιδείας και παράλληλα παρέχουν ταχύτατη πρόσβαση και αυξημένη αξιοπιστία μέσω του Δημόσιου ακαδημαϊκού Cloud.
  2. Επιμόρφωση των εκπαιδευτικών.
  3. Δημιουργία επαρκούς εξελληνισμένου οπτικοακουστικού και λοιπού εκπαιδευτικού υλικού (video, διαφάνειες, σημειώσεις με ανοικτές άδειες χρήσης Creative Commons) προσαρμοσμένου για μαθητές Μέσης Εκπαίδευσης. Η διαρκής επικαιροποίηση είναι απαραίτητη καθώς η Κβαντική Υπολογιστική αναπτύσσεται ραγδαία με συχνή εμφάνιση νέων θεωρητικών αποτελεσμάτων, τεχνολογιών και πρακτικών εφαρμογών, με τις οποίες το υλικό οφείλει να είναι επί της αρχής συμβατό ώστε να μην απαξιωθεί εύκολα. Εισάγοντας μεθοδολογία χρήσης και μετεξέλιξης του μέσω του Web, το περιεχόμενο θα ανανεώνεται εξ αποστάσεως και θα είναι προσβάσιμο από όλους τους μαθητές παγκοσμίως.

Οι παρουσιάσεις σε μαθητές προτείνουμε να περιλαμβάνουν:

1. Προαπαιτούμενα μαθηματικά εργαλεία: τριγωνομετρία, μιγαδικοί αριθμοί, δυαδικό σύστημα αρίθμησης και στοιχειώδη άλγεβρα Boole, πιθανότητες, γραμμική άλγεβρα (διανύσματα, πίνακες, διάφορα γινόμενα).

2. Βασικές αρχές της θεωρίας πληροφορίας με διάκριση της κβαντικής επεξεργασίας από την κλασική λογική και υπολογισμούς, ενδεικτικά για: διανύσματα, πίνακες, πιθανότητα και στατιστική, απροσδιοριστία, πείραμα 2 οπών, qubit σε σχέση με την κλασική μονάδα πληροφορίας bit= binary digit.

3. Πλεονεκτήματα των κβαντικών Υπολογιστικών και Επικοινωνιακών Πόρων (Resources), τεχνολογίες υλοποίησης από διάφορα φυσικά συστήματα, κβαντικοί αλγόριθμοι και υπολογιστική πολυπλοκότητα.

4. Τυπικά παραδείγματα, θεωρητικές και εμπορικές εφαρμογές: παραγοντοποίηση ακέραιων, κβαντικό διαδίκτυο, κβαντική αναζήτηση «ψύλλων στα άχυρα», κβαντικά παίγνια, κβαντική «μαγεία», κβαντική «τηλεμεταφορά».

5. Διάλογο με τους μαθητές και άσκηση τους στο εργαστήριο με χρήση προσομοιωτών κβαντικής επεξεργασίας σε κατάλληλα λογισμικά προσομοίωσης κβαντικού υπολογιστικού περιβάλλοντος και/ή πρόσβασης σε κβαντικούς υπολογιστές, π.χ. εγκαταστάσεις των IBM, Microsoft, Google όπου υπάρχει δωρεάν πρόσβαση. Κατά περίπτωση θα αξιοποιούνται α) τοπικές εγκαταστάσεις λογισμικού (π.χ. :Qiskit της ΙΒΜ, LIQUi|> της Microsoft, κ.α. είτε β) αντίστοιχες online πλατφόρμες πάνω από το web (IBM Q Experience), με πρωταρχικό κριτήριο επιλογής τη δυνατότητα να διαμορφωθεί παιδαγωγικά βατή προσέγγιση των εργαστηριακών ασκήσεων. Βασικές αρχές της κβαντικής θεωρίας μπορούν να παρουσιαστούν και με το qCraft, το οποίο διατίθεται μέσω του δημοφιλέστατου παιχνιδιού Minecraft [https://sites.google.com/a/elinemedia.com/qcraft/wiki/qcraft]. Το qCraft δεν αποτελεί προσομοίωση της κβαντικής φυσικής, αλλά παρέχει «αναλογίες» που επιχειρούν να αναδείξουν πώς οι κβαντικές συμπεριφορές διαφέρουν από την καθημερινή εμπειρία, επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο στους παίκτες- εκπαιδευόμενους να έρθουν σε επαφή και να κατανοήσουν έννοιες όπως η υπέρθεση, η διεμπλοκή, η μέτρηση κοκ. Άλλα κατάλληλα παιχνίδια είναι τα Qiskit Blocks, Quantum Music Playground, κ.α.

Πηγή: alfavita.gr