論文の概要: Comparing Visual Qubit Representations in Quantum Education: The Bloch sphere Enhances Task Efficiency

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.21721v1
• Date: Tue, 29 Jul 2025 11:53:12 GMT
• ステータス: 情報取得中
• システム内更新日: 2025-07-30 13:46:00.692209
• Title: Comparing Visual Qubit Representations in Quantum Education: The Bloch sphere Enhances Task Efficiency
• Title（参考訳）: 量子教育における視覚的ビット表現の比較:Bloch sphereはタスク効率を高める
• Authors: Linda Qerimi, Sarah Malone, Eva Rexigel, Jochen Kuhn, Stefan Küchemann,
• Abstract要約: 本研究は、学習結果、課題パフォーマンス、認知負荷、中期保持の2つの表現(Bloch sphereとQuantum Bead)を比較した。 その結果, 表現型がポストテスト学習結果に有意な影響は認められなかった。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3058340744328236
• License:
• Abstract: Visual-graphical qubit representations offer a means to introduce abstract quantum concepts - such as quantum state, superposition, or measurement - in an accessible manner, particularly for learners with low prior knowledge. Building on a previous expert rating of mechanisms of qubit representations, this study compared two representations - Bloch sphere and Quantum Bead - in terms of learning outcomes, task performance, cognitive load, and mid-term retention. The study was conducted with N=149 school students. The study assessed conceptual understanding, application-oriented task performance by measuring accuracy per time, and cognitive load. A follow-up test after 1-2 weeks assessed mid-term retention. Results showed no significant effect of representation type on post-test learning outcomes. However, process data revealed that learners using the Bloch sphere completed application-oriented tasks significantly more efficiently. The cognitive load was similar in both groups. Mid-term retention of quantum concepts was stable across groups, and early learning performance emerged as the strongest predictor of mid-term retention. In conclusion, these findings emphasize that instructional impact is not solely determined by outcome measures, but also by how representations influence cognitive processing, task integration, and learners' interaction with complex content.
• Abstract（参考訳）: 視覚グラフィックの量子ビット表現は、量子状態、重ね合わせ、測定などの抽象的な量子概念を、特に事前知識の低い学習者に対して、アクセス可能な方法で導入する手段を提供する。 従来のキュービット表現のメカニズムを専門的に評価した上で,本研究では,学習結果,タスクパフォーマンス,認知負荷,中間的保持という2つの表現(Bloch sphereとQuantum Bead)を比較した。 調査はN=149人の高校生を対象に行った。 この研究は、概念的理解、時間ごとの正確さの測定によるアプリケーション指向タスクパフォーマンス、認知負荷を評価した。 術後1～2週間の経過観察の結果,中期の維持が認められた。 その結果, 表現型がポストテスト学習結果に有意な影響は認められなかった。 しかし、プロセスデータから、Bloch球を用いた学習者がアプリケーション指向タスクをはるかに効率的に完了していることが判明した。 認知負荷は両群とも類似していた。 量子概念の中期的保持はグループ間で安定しており、早期学習性能は中期的保持の最も強い予測因子として現れた。 以上の結果から, 学習者の認知処理, タスク統合, 複雑なコンテンツとの相互作用が, 学習者の行動にどのように影響するかが示唆された。

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