AUTOR:
Beatriz Padín Romero y Elena Poncela Blanco
CENTRO:
Colexio M. Peleteiro (Santiago de Compostela)
EMAIL:
elenaponcela@peleteiro.com
DESCRIPCIÓN:
MODELANDO EL ENTRELAZAMIENTO CUÁNTICO CON LEDS
Introducción
Resulta complicado explicar conceptos de tecnologías cuánticas, ya que se trata de un
tema complejo y abstracto. En esta actividad, se introduce el concepto cuántico de
entrelazamiento de una forma muy intuitiva.
Los estudiantes podrán experimentar cómo los “objetos cuánticos” interaccionan entre sí y
cómo pueden compartir información. Usaremos la analogía de los LEDs de la micro:bit y
la propia micro:bit, que jugarán el papel de “objetos cuánticos”.
La actividad se desarrolló con alumnos de 3º y 4º ESO del taller STEAM así como con
alumnos de 4º ESO de la optativa de Digitalización y con los alumnos de 1º y 2º de
Bachillerato de la optativa de TIC.
Justificación de la actividad
La actividad propuesta queda justificada por aportar los siguientes beneficios:
Supone una oportunidad para fomentar habilidades sociales, ya que queda descartado el
trabajo individual. Los componentes del grupo deben colaborar para conseguir resolver el
reto propuesto. Además en la actividad de extensión 3, debe haber comunicación de unos
grupos con otros facilitándose y transmitiéndose información con el objetivo de colaborar
para conseguir resolver el reto planteado.
Los estudiantes deben desplegar al máximo su capacidad de observación, pero haciendo
un registro exhaustivo y riguroso de los resultados observados en la toma de datos.
Tienen la oportunidad de poner en práctica sus habilidades como programadores, de tal
forma que si no entienden los conceptos no serán capaces de programar los objetos
cuánticos de forma correcta.
Actividad interdisciplinar entre Física y Digitalización o TIC.
Objetivos
Reconocer si dos objetos cuánticos están entrelazados.
Construir objetos cuánticos entrelazados.
Breve descripción y planificación de la actividad.
La actividad se plantea en varias fases. No es necesario realizarlas todas, aunque sí la
primera. En la primera fase o actividad 1, los alumnos buscan información sobre el bit y el
qubit. Realizan una actividad práctica con micro:bits programadas por el docente, para
identificar objetos cuánticos entrelazados. En la segunda fase o actividad 2, serán los
alumnos los que tengan que demostrar que entendieron el concepto de entrelazamiento,
programando el entrelazamiento de objetos cuánticos. En la tercera fase o actividad 3,
aprenderán que dos objetos cuánticos pueden estar entrelazados aunque la distancia que
los separe sea grande.
Tiempo estimado
De 45 a 60 minutos cada actividad.
Lista de materiales
Micro:bit (or calliope mini https://calliope.cc/en , también sirven robots con LEDs o cualquier
otro sistema de LEDs programables)
https://microbit.org/get-started/what-is-the-microbit/
Ordenador o cualquier otro dispositivo con el que los estudiantes puedan programar.
Fichas del alumno.
Descripción de la actividad 1
Los alumnos deberán responder a la siguiente pregunta:
¿Es posible que dos sistemas de información muestren resultados relacionados, sin
comunicarse entre sí?
Como introducción a la actividad, los alumnos realizarán una búsqueda de información en
la que responderán a las siguientes preguntas:
¿Qué es un bit?
¿Qué es un qubit?
Compara y contrasta bit y qubit.
Se hará una puesta en común de la información encontrada.
Posteriormente, los estudiantes trabajarán por parejas. Cada pareja tendrá una micro:bit
con el código ya programado y subido a dicho dispositivo. Para ejecutar el programa, los
alumnos necesitarán pulsar el botón A varias veces. En esta actividad, pulsar el botón A
simula medir los objetos cuánticos.
Ejemplo del programa en Python para la micro:bit
# Imports go at the top
from microbit import *
def button(i, j, k, l):
leds=[0,1,2,3,4]
display.set_pixel(leds[i],leds[j],9)
display.set_pixel(leds[k],leds[l],9)
sleep(2000)
counter=0
#leds=[0,1,2,3,4]
while True:
while button_a.get_presses()==1 and counter==0:
counter+=1
button(0,0,4,0)
display.clear()
while counter==1:
if button_a.get_presses()==1:
counter+=1
button(1,0,2,0)
while counter==2:
if button_a.get_presses()==1:
counter+=1
display.set_pixel(1,0,0)
button(3,0,4,0)
while counter==3:
if button_a.get_presses()==1:
counter+=1
display.set_pixel(1,0,9)
display.set_pixel(2,0,9)
button(3,0,4,0)
sleep(2000)
display.clear()
counter=0
Nótese que cada LED de la micro:bit se define utilizando 2 coordenadas (x, y)
Simulamos las medidas de los objetos cuánticos usando el estado de los LEDs de la
micro:bit: Apagado o encendido, o lo que es lo mismo, 0 o 1
La tarea de cada pareja de alumnos, consiste en averiguar qué LED (cada LED simula un
“objeto cuántico”) está “entrelazado” con otro de su micro:bit. Para ello se les indicará a
los alumnos, que para esta actividad, sólo dos LEDs están “entrelazados”, de forma que
cuando “medimos” uno de ellos, el otro muestra siempre el estado opuesto. Es decir, para
que 2 LEDs estén entrelazados, si uno está encendido el otro estará apagado y al revés.
En esta actividad “medir” equivale a pulsar el botón A de la micro:bit.
Solución a la actividad 1 (ficha del alumno)
LED (0,0) LED (1,0) LED (2,0) LED (3,0) LED (4,0)
Medida 1 1 0 0 0 1
Medida 2 0 1 1 0 0
Medida 3 0 0 1 1 1
Medida 4 0 1 1 1 1
Los LEDs (0,0) y (2,0) están entrelazados, dado que siempre muestran estados opuestos
al hacer las medidas.
Actividad de extensión 2: Concurso de entrelazamiento
Se les lanza el reto a los alumnos de programar las micro:bits para que entrelacen 2
objetos cuánticos (LEDs) y se las intercambien con otra pareja para descubrir cuáles son
los objetos cuánticos entrelazados. El docente cronometra cuánto tiempo tardan en
descubrir cuáles son los objetos cuánticos entrelazados. Gana la pareja que lo averigüe
en menor tiempo.
Actividad de extensión 3: Distanciamiento de los objetos cuánticos: ¿Es posible que dos
sistemas de información muestren resultados relacionados, sin comunicarse entre sí,
incluso aunque estén separados cierta distancia considerable?
Para realizar esta actividad, los alumnos trabajarán en grupos de 4.
En esta actividad se entrega a cada grupo de alumnos una micro:bit programada. Se pide
a cada grupo que se distancie de las demás y que anote los resultados de 5 medidas
(estado de los LEDs al pulsar el botón A). Los grupos cubren la tabla correspondiente
(ficha del alumno), con el resultado de las medidas.
Posteriormente se comunican con otros grupos con el fin de averiguar con qué otra
micro:bit está entrelazada la suya. Para esta actividad, se le indica a los alumnos que el
resultado de la medida del “objeto cuántico” o sea, de la micro:bit es 0 si el número de
LEDs encendidos es par y 1 si es impar.
Se hará hincapié en enfatizar que dos qubits pueden estar entrelazados incluso aunque
se encuentren a gran distancia uno del otro. La actividad se puede desarrollar como se
muestra en la ficha del alumno o con un nivel más avanzado en el que no se le indica al
alumno si el resultado de la medida debe ser idéntico u opuesto para que los objetos
cuánticos estén entrelazados, haciendo que algunos muestren medidas idénticas y otros
opuestas.
Conclusión
El uso de metodologías de modelado y uso de analogías, facilita poder entender
conceptos complejos a edades tempranas. El uso de material tangible que se puede tocar
y visualizar, hace que los conceptos parezcan más cercanos y fáciles de entender. El
hecho de que el estudiante tenga que manipular e interaccionar con la micro:bit ayuda a
visualizar conceptos que de lo contrario, podrían parecer muy abstractos.
Los alumnos se hacen responsables de su propio aprendizaje al tener que resolver los
retos planteados. Además cuando se les plantean actividades en formato gamificación o
competición, la motivación del alumnado aumenta.
Las actividades son fácilmente adaptables a estudiantes de diversas edades, en función
del vocabulario más o menos complejo y técnico que se utilice al desarrollarlas en el aula.
Para adaptar las actividades a diferentes edades o niveles del alumnado, la parte de
programación se puede desarrollar con lenguaje textual como el caso del ejemplo aquí
mostrado, o bien usando bloques de programación según las habilidades de los
estudiantes y la formación del profesorado.
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