HCI技術と情報視覚化技術を利用した量子プログラミング学習システムの構築

利用人机交互技术和信息可视化技术构建量子编程学习系统

• 批准号: 21K12174
• 负责人: 笹倉 万里子
• 金额: $ 2万
• 依托单位: Okayama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K12174/
• 关键词: 量子プログラム; 教育支援; シミュレータ; 視覚化; ヒューマンコンピュータインタラクション; 情報視覚化; 量子プログラミング; 量子コンピュータ

本年度は量子ビットおよび量子ゲートに関する支援システムの拡張を行った．2021年度のシステムではドイチェ・ジョザのアルゴリズムを例題としていたが，2022年度はそれをグローバーのアルゴリズムを例題とするように拡張した．具体的にはグローバーのアルゴリズムで必要な量子ゲートを追加したこととグローバーのアルゴリズム用の教育支援コンテンツを開発したことである．グローバーのアルゴリズム用の教育支援コンテンツは，システムに実装された量子回路シミュレータを用いることを促すように作成した．量子回路シミュレータを併用して学習することでインタラクティブな学びが期待できる．開発したシステムと教育支援コンテンツを用いて被験者実験を行った．実験は，紙媒体の解説書との比較実験である．この実験で明らかになったことは，教育支援コンテンツで丁寧に解説しかつ量子回路シミュレータを使用して学習した場合は紙媒体のみでの学習よりも学習効果が高まることが期待できること，理解に時間を要する事項に関しては教育支援コンテンツで紙媒体と同程度しか解説しない内容の場合は，紙媒体のみの方が学習効果が高くなる場合があることである．後者に関しては，被験者実験において紙媒体のみで学習した被験者の方が学習後の確認テストの結果がよかった．この要因は，一読してよくわからないような内容の場合，紙媒体しか資料がない場合はその資料を何度も読み返すが，量子回路シミュレータがある場合，シミュレータを操作することで「わかったような気になり」理解を深められなかったのではないかと推測される．ただし，被験者数が少なく，たまたま紙媒体のみの被験者の方が理解力に優れていたという可能性も否定できない．さらなる実験が必要である．

今年，我们扩展了量子比特和量子门的支持系统。 2021年系统中以Deutsche-Josa算法为例，但2022年扩展为以Grover算法为例。具体来说，我们添加了 Grover 算法所需的量子门，并为 Grover 算法开发了教育支持内容。创建 Grover 算法的教育支持内容是为了鼓励使用系统中实现的量子电路模拟器。通过结合使用量子电路模拟器，可以实现交互式学习。我们使用开发的系统和教育支持内容进行了主题实验。该实验是与纸质手册的对比实验。该实验表明，使用在教育支持内容中进行详细说明的量子电路模拟器进行学习，与仅使用纸质媒体进行学习相比，可以预期获得更高的学习效果，并且对于需要教育的事项，如果能够理解，则需要花费更多时间。教育支持内容仅提供与纸质版本相同程度的解释，如果仅使用纸质版本，学习效果可能会更高。对于后者，在受试者实验中，仅使用纸质媒介学习的受试者在学后确认测试中取得了更好的成绩。这样做的原因是，如果材料乍一看没有完全理解，如果唯一可用的材料是纸，那么材料将被一遍又一遍地阅读，但如果有量子电路模拟器，通过操作模拟器，推测他无法加深对情况的了解。然而，由于受试者数量较少，我们不能否认只接受纸质媒体的受试者有更好的理解力的可能性。需要进一步的实验。

项目成果

A Piloting Study of Measuring Effectiveness of Virtual Reality in Understanding a New Concept in Educational Support Systems, 25th International Conference Information Visualisation

衡量虚拟现实在理解教育支持系统新概念方面的有效性的试点研究，第 25 届信息可视化国际会议

• 发表时间: 2021
• 作者: Mariko Sasakura

グローバーのアルゴリズムを題材とした学習支援システムの開発

基于Grover算法的学习支持系统的开发

• 发表时间: 2023
• 作者: 安永翔斗;門田暁人;笹倉万里子
• 通讯作者: 笹倉万里子