論文の概要: Multi-qubit state visualizations to support problem solving $-$ a pilot study

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2406.16556v1
• Date: Mon, 24 Jun 2024 11:46:35 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-06-25 15:04:12.032073
• Title: Multi-qubit state visualizations to support problem solving $-$ a pilot study
• Title（参考訳）: 課題解決を支援するマルチキュービット状態可視化のパイロットスタディ
• Authors: Jonas Bley, Eva Rexigel, Alda Arias, Lars Krupp, Steffen Steinert, Nikolas Longen, Paul Lukowicz, Stefan Küchemann, Jochen Kuhn, Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Artur Widera,
• Abstract要約: 数式-記号的ディラック表記法を単独で用いた場合, 学生のパフォーマンス, 時間, 認知負荷を, 単ビット系および多ビット系における円表記法や次元円表記法と組み合わせて比較した。 学生のパフォーマンスの全体的な違いは、提示された表現によってほとんど検出できないが、問題解決性能は学生に依存し、文脈に依存していることを観察する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.8879980022743639
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
• Abstract: In the rapidly evolving interdisciplinary field of quantum information science and technology, a big obstacle is the necessity of understanding high-level mathematics to solve complex problems. Visualizations like the (dimensional) circle notation enable us to visualize not only single-qubit but also complex multi-qubit states, entanglement, and quantum algorithms. Current findings in educational research suggest that incorporating visualizations in settings of problem solving can have beneficial effects on students' performance and cognitive load compared to solely relying on symbolic problem solving content. In this pilot study, we aim to take a first step to identify in which contexts students benefit from the presentation of visualizations of multi-qubit systems in addition to mathematical formalism. We compare students' performance, time taken, and cognitive load when solving problems using the mathematical-symbolic Dirac notation alone with using it accompanied by the circle notation or the dimensional circle notation in single- and multi-qubit systems. Although little overall differences in students' performance can be detected depending on the presented representations, we observe that problem-solving performance is student- and context-dependent. In addition, the results indicate reduced cognitive load when participants are presented with visualization. The results are discussed with respect to relevant design aspects for future studies.
• Abstract（参考訳）: 量子情報科学とテクノロジーの分野が急速に発展していく中で、大きな障害は複雑な問題を解決するために高次数学を理解する必要があることである。 次元円記法のような可視化により、単一キュービット状態だけでなく、複雑なマルチキュービット状態、絡み合い、量子アルゴリズムも可視化できる。 教育研究における近年の知見は, 可視化を問題解決の設定に組み込むことは, シンボリックな問題解決コンテンツにのみ依存するよりも, 生徒のパフォーマンスや認知負荷に有益な影響を与えることを示唆している。 本研究では,数学的な形式化に加えて,マルチキュービットシステムの可視化の提示から学生がどのような状況で恩恵を受けるかを明らかにするための第一歩を踏み出した。 数式-記号的ディラック表記法を単独で用いた場合, 学生のパフォーマンス, 時間, 認知負荷を, 単ビット系および多ビット系における円表記法や次元円表記法と組み合わせて比較した。 学生のパフォーマンスの全体的な違いは、提示された表現によってほとんど検出できないが、問題解決性能は学生に依存し、文脈に依存していることを観察する。 さらに, 参加者に可視化を施すと, 認知負荷の低減が図られた。 今後の研究における設計面について考察する。

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