Rainer Müller

• Technische Universität Braunschweig

With the increasing industrial relevance of quantum technologies (QTs), a new quantum workforce with special qualification will be needed. Building this workforce requires educational efforts, ranging from short term training to degree programs. In order to plan, map and compare such efforts, personal qualifications or job requirements, standardiza...

The transition of second-generation quantum technologies from a research topic to a topic of industrial relevance has led to a growing number of quantum companies and businesses that are exploring quantum technologies. Examples would include a start-up building a quantum key distribution device, a large company working on integrating a quantum sens...

Pubished in EPJ Quantum Technology 12, 1 (2025), https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-024-00302-5 ___________________________________________________________________________________ With the increasing industrial relevance of quantum technologies (QTs), a new quantum workforce with special qualification will be needed. Building this workforce req...

by Publications Office of the European Union

Pubished in EPJ Quantum Technology 11, 82 (2024). https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-024-00294-2 ___________________________________________________________________________________ The transition of second-generation quantum technologies from a research topic to a topic of industrial relevance has led to a growing number of quantum companies and...

Reference framework for planning, mapping and comparing QT-related educational activities, personal qualification and job requirements. Zenodo Repositors with additional information and further reading

Quantum physics (QP) education at the secondary school level is still in its infancy. Not only is there ongoing discussion about how to teach this subject, but there is also a lack of coherence in the selection of concepts to be taught, both across countries and over time. To contribute to this discussion, we investigated the perspectives of N = 39...

Mit der Entwicklung moderner Quantentechnologien zur Industriereife ergibt sich ein neuer Bedarf an Fachkräften, die beispielsweise Quantensensoren bedienen oder Quantenalgorithmen an bestimmte Anwendungsfälle anpassen können. Im europäischen Quantum Flagship Koordinierungsprojekt QUCATS wird die Aus- und Weiterbildung von Fachkräften im Bereich de...

The European Competence Framework for Quantum Technologies is rapidly evolving into the basic common language for educational efforts, comparison of training offerings, mapping of courses and development of educational modules. It has been compiled within the European Quantum Flagship coordination and support projects QTEdu and QUCATS. It is centra...

With the increasing industrial relevance of new quantum technologies, a well-educated quantum workforce becomes increasingly crucial. The foreseeable lack of workforce raises important questions. What are the expectations regarding the future relevance of second-generation quantum technologies? What are the requirements for the workforce in the com...

With the increasing industrial relevance of new quantum technologies, a well educated quantum workforce becomes increasingly crucial and raises important questions. What are the expectations regarding the future relevance of second generation quantum technologies? And what are the requirements for the workforce in the coming quantum industry? What...

With new quantum technologies and new applications comes a new need for specialists, the new quantum workforce. This brings new challenges for education that the typical quantum mechanics courses for physicists do not address. Requirements for the future quantum workforce need to be collected and training programmes created. In between, there shoul...

Der traditionelle Quantenphysik-Unterricht baut auf historischen Experimenten auf und die traditionelle Atomphysik auf dem Bohr‘schen Atommodell. Innovative physikdidaktische Ansätze wählen andere Zugänge, von denen in dem Kapitel fünf vorgestellt werden. Eine Bremer Unterrichtskonzeption setzt die numerische Modellierung von Zuständen höherer Atom...

The milq approach to quantum physics for high schools focuses on the conceptual questions of quantum physics. Students should be given the opportunity to engage with the world view of modern physics. The aim is to achieve a conceptually clear formulation of quantum physics with a minimum of formulas. In order to provide students with verbal tools,...

The high public attention given to quantum computing shows that it is perceived as an interesting topic. We want to utilize this motivating effect for the teaching and learning of quantum physics. Specifically, we want to take advantage of the access to real quantum computers, which various providers make available free of charge. We show a direct...

Mit den neuen Quantentechnologien, den QT 2.0, ergeben sich spezielle Anforderungen an die Fachkräfte, die mit diesen arbeiten werden. Ziel der vorgestellten Delphi-Studie ist die Ermittlung von Kompetenzen für und Anforderungen an die künftigen Quanten-Fachkräfte. Damit bilden die Ergebnisse dieser Delphi-Studie die Basis für die Entwicklung eines...

Die steigende Relevanz von Quantentechnologien in Deutschland (s. z. B. Acatech IMPULS; Konjunkturpaket der Bundesregierung) und Europa (s. z. B. Quantum Flagship) stellt die (universitäre) Ausbildung von Fachkräften in diesem Bereich vor neue Herausforderungen – nicht nur in der Physik, sondern auch in den Ingenieurwissenschaften. Ein Ziel des eur...

The milq approach to quantum physics for high schools focuses on the conceptual questions of quantum physics. Students should be given the opportunity to engage with the world view of modern physics. The aim is to achieve a conceptually clear formulation of quantum physics with a minimum of formulas. In order to provide students with verbal tools t...

Quantentechnologien gewinnen rasant an Bedeutung und "Quantum Awareness" wird auch im In-genieurwesen immer wichtiger. Damit ergeben sich in der universitären Lehre neue Herausforde-rungen zur Ausbildung von "Quantum Engineers". Hier setzt das Projekt an: Es werden Kenntnisse und Kompetenzen im Bereich der Quanteninformationstechnologien identifizi...

The milq approach to quantum physics for high schools focuses on the conceptual questions of quantum physics. Students should be given the opportunity to engage with the world view of modern physics. The aim is to achieve a conceptually clear formulation of quantum physics with a minimum of formulas. In order to provide students with verbal tools t...

We present an approach to learn about electricity and dc electric circuits by using real representational models based on the gravitational analogy. The additively manufactured models are deployed in a small-scale teaching intervention on electric potential and voltage in simple electric circuits. From the preliminary results considerable learning...

Ähnlich wie man sich in der Mechanik (Kap. 4) von irreführenden Sprach- und Denkmustern bewusst lösen muss, ist es in der Quantenphysik erforderlich, sich mit den klassischen Schülervorstellungen auseinanderzusetzen, um Sprach- und Denkmuster zu entwickeln, die den quantenmechanischen Phänomenen angemessen sind. Das Kapitel behandelt Schülervorstel...

We present an approach to learn about electricity and dc electric circuits by using real representational models based on the gravitational analogy. The additively manufactured models are deployed in a small-scale teaching intervention on electric potential and voltage in simple electric circuits. From the preliminary results considerable learning...

Formulas are an effective means for communication in physics. Most teachers would agree, however, that novices tend to be deterred by formulas. Up to now, this common belief has never been substantiated by quantitative research. Here we report on an attempt to identify and quantify the variables that govern the appraisal of physical formulas. In an...

No abstract is available for this article.

Der fünfte Band der Schriftenreihe „Braunschweiger Beiträge zu Lehrerbildung und Fachdidaktik“ beinhaltet schwerpunktmäßig Aufsätze zu Professionalisierungsprozessen in der Lehrerbildung und Beiträge, die sich unter dem Oberthema Diagnose einordnen lassen. Die Reihe richtet sich an alle, die sich um die Qualitätsentwicklung des naturwissenschaftlic...

Mit Hilfe eines Fragebogens wurde untersucht, welche Vorstellungen Lehramtsstudierende verschiedener Fächer vom Lehren und Lernen in den Naturwissenschaften haben. Der Focus der Untersuchung lag in der Erhebung von verschiedenen Aspekten von Scientific Literacy. Die Ergebnisse wurden nach Studienfächern, Studienzielen und Studiendauer differenziert...

Welche Aspekte des naturwissenschaftlichen Unterrichts erachten Lehramtsstudierende für wichtig? Wie beurteilen sie den Einsatz von Experimenten? Zur Beantwortung dieser Frage wurde ein Fragebogen entwickelt, der vorgegebene Aussagen und offene Fragen enthielt. Die Ergebnisse wurden nach Studienfächern und Studiendauer differenziert und teilweise...

Kurzfassung Die vorgestellte Studie behandelt das Verhalten von Studierenden gegenüber Formeln. Hierbei wurde untersucht wie Studierende vorgelegte Formeln aufteilen, gliedern sowie nach eigenen Vor-stellungen neu zusammensetzen und interpretieren. Die Arbeit stellt eine Erweiterung einer bereits mit Schülerinnen und Schülern durchgeführten Studie...

We give a simple derivation of the Boltzmann factor from a microcanonical point of view. The derivation is similar to Boltzmannʼs own approach but avoids the use of Lagrangian multipliers. In the Boltzmann–Einstein model, we consider an assembly of boxes. One of the boxes represents the system under consideration, the others act as a thermal reserv...

Typische Geschlechterrollen sind jedem vertraut. Wie sich eine Frau und wie sich ein Mann zu kleiden und zu verhalten haben, wird durch verschiedenste Medien vermittelt. Vorhandene Ge-schlechterrollen finden sich in unserer Gesellschaft unweigerlich auch in der Institution Schule wie-der, wo viele geschlechtsspezifische Rollenbilder bedient werden....

Kurzfassung Der Zusammenhang zwischen der Gedächtniskapazität von Lernenden und der Komplexität einer gestellten Aufgabe wurde in den 1980er Jahren durch Johnstone und El-Banna [1] untersucht. Die Ergebnisse sind richtungsweisend für die Gestaltung von Aufgaben, gerieten jedoch im Laufe der Jahre besonders in Deutschland weitgehend in Vergessenheit...

Formulas are an effective means for communication in physics. Most teachers would agree, however, that novices tend to be deterred by formulas. Up to now, this common belief has never been substantiated by quantitative research. Here we report on an attempt to identify and quantify the variables that govern the appraisal of physical formulas. In an...

Kurzfassung Das Konzept kontextbasierter Lernumgebungen wird an der TU Braunschweig in Tutorien für Stu-dierende der Physik und des Nebenfachs im Rahmen von kontextorientierten Aufgaben umgesetzt. Innerhalb der Veranstaltungen " Mechanik und Wärmelehre " und " Physik für Biologen, Biotechno-logen, Chemiker und Geoökologen " bearbeiten die Studieren...

Die Untersuchungen der Qualität von Abbildungen in verschiedenen Schulbüchern, ergaben inte-ressante Ergebnisse bezüglich der verschiedenen Arten von Fehlerkategorien. Es wurde versucht ein Codier- und Analyse-Schema für diese Kategorien von Fehlern in physikalischen Abbildungen zu entwickeln. Berücksichtigt wurden neben den verschiedenen Fehlerkla...

Im Rahmen einer quantitativen Querschnitt-Studie wurden 51 Sachunterricht erteilende Grund-schul-Lehrkräfte per Fragebogen zu diversen Variablen befragt: didaktische Grundeinstellung, Wissen zu allgemeinen Aspekten von Schülervorstellungen, Einschätzungen der Häufigkeiten ei-ner am Kerncurriculum orientierten Palette konkreter, empirisch bezüglich...

Höherer Alltagsbezug! Sinnstiftende Kontexte! Authentizität im Unterricht! Diese Forderungen sind für den Schulunterricht Physik nicht neu - wurden bisher an weiterführenden Bildungseinrichtungen aber nur begrenzt erprobt. An der Technischen Universität Braunschweig werden daher bereits seit knapp zwei Jahren Tutorien für Studierende der Physik in...

In this study, we investigated how prospective science teachers plan germination experiments. Two hundred thirty-three students from three different German universities in their first to sixth year of educational studies were asked in paper-and-pencil tests which materials were necessary to germinate garden cress (Lepidium sativum). Two different t...

Surface charges play a major role in DC circuits because they help generate the electric field and potential distributions necessary to move the charges around the circuit. Unfortunately, it is generally regarded as a difficult task to determine the surface charge distribution for all but the simplest geometries. In this paper, we develop a graphic...

Welche Aspekte des naturwissenschaftlichen Unterrichts erachten Lehramtsstudierende für wichtig? Wie beurteilen sie den Einsatz von Experimenten? Zur Beantwortung dieser Frage wurde ein Fragebogen entwickelt, der vorgegebene Aussagen und offene Fragen enthielt. Die Antworten der vier offenen Fragen sollen auf dem Poster präsentiert werden.

Im gesellschaftlichen Diskurs sind die Probleme des Nachwuchsmangels in den Naturwissenschaf-ten seit vielen Jahren Thema. Die Mädchen sind als Zielgruppe in den Fokus geraten, um dem Mangel entgegenzuwirken. Doch Willenserklärungen allein helfen nicht aus der Misere. Hierfür sind Veränderungen in der Schule von Nöten. Interesse und Motivation sind...

Die Abbildungen in Schulphysikbüchern spielen eine wichtige und vielseitige Rolle. Doch sind Untersuchungen zu diesem Thema nicht nur in der Physik selten. Im vorliegenden Artikel wurden in vier aktuellen Schulbüchern alle Abbildungen auf ihre Qualität und Aufgabe hin untersucht.

Kurzfassung Das Konzept der authentischen bzw. kontextorientierten Aufgaben wird an der Technischen Uni-versität Braunschweig in Tutorien für Studierende der Physik und Studierende der Biologie, Che-mie, Biotechnologie und Geoökologie im Nebenfach Physik erprobt. Dabei arbeitet eine Gruppe Studierender an Aufgaben zu Kontexten aus der Mechanik, Wär...

Wir berichten über eine Untersuchung, in der Lehrerinnen und Lehrer aus Niedersachsen (n = 244) zur Rolle der Mathematik im Physikunterricht schriftlich befragt wurden. Im Zentrum des Interes-ses standen die Bedeutung von Formeln und ihre Nutzung im Unterricht. Zusätzlich wurden das Wissenschaftsverständnis und die Überzeugungen über das Lernen der...

In diesem Artikel wird ein Modellvorhaben an der TU Braunschweig beschrieben, das in der Kooperation zwischen der Physikdidaktik (IFdN) der Fakultät für Geistes- und Erziehungswissenschaften und der Chemischen und Thermischen Verfahrenstechnik (ICTV) der Fakultät für Maschinenbau auf Synergien in der fächerübergreifenden Zusammenarbeit setzt. Seit...

Eine einheitliche Darstellungsweise von Formeln existiert nicht. Um herauszufinden, ob es bevorzugte Darstellungsarten gibt, wurden Teile von Formeln (z. B. Brüche, Multiplikationen, Wurzeln) separiert und in verschiedenen Schreibweisen dargeboten. Die Probanden sollten sich jeweils für eine Möglichkeit entscheiden. In einem zweiten Teil der Unters...

Im Rahmen einer Untersuchung zum Formelverständnis bei Schülerinnen und Schülern werden in zwei Erhebungswellen unterschiedliche Jahrgangsbereiche miteinander verglichen. Die Ergebnisse sind in beiden Erhebungen ähnlich: Die Bedeutung von Formeln wird von Lernenden als hoch eingeschätzt, Formeln werden nicht durchweg abgelehnt.

Bei dem Gebrauch von Formel zeigen Anwender ausgesprochene Vorlieben für bestimmte Darstellungsweisen. Z. B. bevorzugten bei Brüchen 94,4% der Befragten die Version mit Bruchstich. Bei andere Darstellungsweisen (Wurzeln, e-Funktionen, Vektoren, …) zeigten sich ähnlich klare Ergebnisse. In einer Vorstudie wurden die Darstellung von Einheiten untersu...

Wir berichten über die Ergebnisse einer explorativen Studie, in der untersucht wurde, nach welchen Kriterien Schülerinnen und Schüler Formeln gliedern, die ihnen vorgelegt wurden. Dabei wurde nach Chunks (für die Probanden zusammengehörige Terme) und Strukturelementen (Terme mit ähnlicher Funktion) gesucht. Weiterhin sollte der Inhalt der Formeln v...

Within the context of Newton's equation, we present a simple approach to the constrained motion of a body forced to move along a specified trajectory. Because the formalism uses a local frame of reference, it is simpler than other methods, making more complicated geometries accessible. No Lagrangian multipliers are necessary to determine the constr...

Die seit 2001 im Internet existente Plattform milq zur Quantenphysik, deren Ziel es ist, das komplizierte Thema verständlicher zu machen, wird an der TU Braunschweig im Institut für Fach-didaktik der Naturwissenschaften (IFdN), Abteilung Physik und Physikdidaktik überarbeitet und erweitert. Ein Beispiel für die inhaltliche Erweiterung ist die Neuge...

Experimentieren ist ein wichtiges Element des naturwissenschaftlichen Unterrichts und lässt sich als Teilkompetenz in den Problemlöseprozess einordnen (Grube et al. 2007, Mayer 2007). Als typische fachgemäße Denk- und Arbeitsweise soll das Experimentieren den Lernenden wesentliche Einblicke in die Wissenschaftsmethodik vermitteln (Hammann et al. 20...

We introduce a simple graphical formalism for analyzing three-dimensional elastic collisions using energy and momentum conservation. We use the formalism to elucidate the physics of the swingby mechanism. As an example we treat the encounter of Pioneer 10 with Jupiter in 1973.

Wärmebildaufnahmen stellen eine sehr gute Möglichkeit da, thermodynamische Prozesse anschaulich zu verdeutlichen. Sowohl zeitliche als auch räumliche Vorgänge lassen sich zeigen. Die hier untersuchten Phänomene gehen vom Schreiben mit Kältespray über den Bénard-Effekt bis zur „Prozessorschmelze“. Da Wärmebildkameras im Moment noch sehr teuer sind,...

Da der Inhalt von Formeln durch ihre Darstellung vermittelt wird, ist ihre äußere Gestalt eine wichtige Eigenschaft. Oberflächenmerkmale wie Länge, Indizes, griechische Buchstaben usw. können auf Lernende mehr oder weniger abschreckend wirken. Kann der Grad dieser Abschre-ckung quantitativ erfasst werden? Existieren bevorzugte Darstellungsformen fü...

Um der semantischen Struktur von Formeln näher zu kommen, sollten 75 Schülerinnen und Schüler, aus vier unterschiedlichen Schulklassen 31 Aussagen bewerten. Die zu bewertenden Aussagen stammen aus drei Teilgebieten: Einschätzung des Könnens / Einstellung (Formeln, Physik, Lehrer) / Lehrstil. Im zweiten Teil des Fragebogens sollten die Probanden ver...

In unterschiedlichen Schulbüchern für das Fach Physik wurde die Anzahl der enthaltenen Formeln ermittelt. Es wurden sowohl unterschiedliche Erscheinungsjahre als auch verschiedene Schulformen analysiert. Die Formeln wurden fünf Bereichen zugeordnet (Mechanik, Optik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre, Akustik). Neben den Büchern für die Haupt- und Real...

Eine der häufig gestellten Forderungen an den Physikunterricht ist, die "Physik des Alltags" stärker zu berücksichtigen. Ein Beitrag dazu kann die physikalische Analyse von Spielfilmszenen sein. Physikalische Inhalte können einerseits durch Spielfilmszenen motiviert werden; auf der anderen Seite kann nachgefragt werden, ob das, was in Spielfilmszen...

Kurzfassung Das Arbeiten mit oder besser noch das Verstehen von Formeln im Physikunterricht ist von elementarer Bedeutung. Viele Zusammenhänge können ohne Formeln zwar qualitativ erfasst, aber nicht quantitativ gebraucht werden. Die Benutzung von Formeln ist in vielen Klausuren Grundvoraussetzung für das Lösen von Aufgaben. Trotzdem zeigt sich oft,...

We present a new research-based course on quantum mechanics in which the conceptual issues of quantum mechanics are taught at an introductory level. In the context of virtual laboratories, the students discover from the very beginning how quantum phenomena deviate from our classical everyday experience. The results of the evaluation of the course s...

In this article, we give a simple illustration how and why GPS (Global Positioning System) navigation would be affected by a possible ether wind. With a qualitative analysis of the navigation process, we can estimate how big the discrepancy between the GPS receiver's inferred position and its true position would be. In addition, a one-dimensional q...

We investigate the influence of a Bose-Einstein condensate on the coherence properties of a traversing atomic beam. We derive a master equation describing the interaction between beam atoms and the condensate in s-wave approximation. Scattering rates are calculated and compared with the case of an ordinary Boltzmann gas. Special attention is paid t...

We study how the decay properties of particles are changed by acceleration. It is shown that under the influence of acceleration (1) the lifetime of particles is modified and (2) new processes (like the decay of the proton) become possible. This is illustrated by considering scalar models for the decay of muons, pions, and protons. We discuss the c...

We investigate atomic motion in the standing-wave field of a cavity driven by coherent light plus broad-band-squeezed vacuum. We assume the bad-cavity limit and adiabatically eliminate the cavity mode, deriving a master equation for the atomic variables alone. From this master equation we study the (one-dimensional) atomic motion both in the semicl...

We consider the computation of the entanglement entropy in curved backgrounds with event horizons. We use a Hamiltonian approach to the problem and perform numerical computations on a spherical lattice of spacing $a$. We study the cosmological case and make explicit computations for the Friedmann-Robertson-Walker universe. Our results for a massles...

We study the spontaneous de-excitation and excitation of accelerated atoms on arbitrary stationary trajectories (``generalized Unruh effect''). We consider the effects of vacuum fluctuations and radiation reaction separately. We show that radiation reaction is generally not altered by stationary acceleration, whereas the contribution of vacuum fluc...

We consider the influence of acceleration on the radiative energy shifts of atoms in Minkowski space. We study a two-level atom coupled to a scalar quantum field. Using a Heisenberg picture approach, we are able to separate the contributions of vacuum fluctuations and radiation reaction to the Lamb shift of the two-level atom. The resulting energy...

For a small system the coupling to a reservoir causes energy shifts as well as transitions between the system's energy levels. We show for a general stationary situation that the energy shifts can essentially be reduced to the relaxation rates. The effects of reservoir fluctuations and self reaction are treated separately. We apply the results to a...

For a small system the coupling to a reservoir causes energy shifts as well as transitions between the system's energy levels. We show for a general stationary situation that the energy shifts can essentially be reduced to the relaxation rates. The effects of reservoir fluctuations and self reaction are treated separately. We apply the results to a...

We consider the influence of continuous decoherence on the excitation of an accelerated detector, an effect which must be taken into account in physically realistic realizations of the Unruh effect. As a model we use a quantum two-level system (as the detector) coupled to a massless scalar quantum field. This composite quantum system is treated as...

We consider an atom in interaction with a massless scalar quantum field. We discuss the structure of the rate of variation of the atomic energy for an arbitrary stationary motion of the atom through the quantum vacuum. Our main intention is to identify and to analyze quantitatively the distinct contributions of vacuum fluctuations and radiation rea...

We comment on the controversy whether a uniformly accelerated particle detector radiates. We stress the particular importance of the built-up correlations and of the quantum measurement process in this connection. We give the question the following form: We assume that the initial state of the quantum field is the Minkowski vacuum and that there is...