Detta är en svensk översättning av dokumentet Competence framework for quantum technologies: methodology and version history.
Sammanställt av Franziska Greinert och Rainer Müller Version 1.0 (maj 2021)
Finansierat av Europeiska unionen
Introduktion
I maj 2021 publicerade QTEdu-konsortiet den första versionen av det europeiska kompetensramverket för kvantteknologier. Kompetensramverket syftar till att kartlägga landskapet av kompetenser och färdigheter inom kvantteknologier, och därmed etablera ett gemensamt språk som underlättar kommunikation och samarbete mellan olika intressenter inom utbildningsekosystemet.
Ramverket är tänkt att vara en utgångspunkt för planering och strukturering av olika utbildnings- och träningsprojekt inom kvantteknologier, t.ex. masterprogram vid universitet, utbildningsprogram för industrins arbetskraft, eller utbildningsforskningsinitiativ. Ramverkets struktur är inspirerad av DigCompEdu, den digitala kompetensramen för lärare, som vi använde som mall.
Version 1.0 av ramverket ger en översikt över vad som kan läras. Nästa version kommer också att inkludera olika färdighetsnivåer som kan uppnås vid inlärning av varje kompetens och färdighet inom kvantteknologier, samt jobbprofiler med olika fokusområden.
På lång sikt ser vi en europeisk kvantutbildningsgemenskap präglad av anpassningsbarhet, tillväxt och synergier bland alla relevanta intressenter. Här är kompetensramverkets centrala roll att tillhandahålla ett gemensamt språk och en referenspunkt. Vi föreställer oss ett ekosystem där institutioner sömlöst kan komplettera sina ansträngningar med lämpliga moduler, och där elever kan blanda och matcha sin utbildning och träning för att uppfylla sina behov.
Metodologi
QTEdu använde en bottom-up-strategi för att sammanställa kompetensramverket. Vi genomförde en tre-omgångars Delphi-studie under det senaste året med många deltagare från QT-gemenskapen. Resultaten förfinades genom expertintervjuer för varje kompetensområde. Detaljerna om metoden som användes beskrivs i följande avsnitt. Kompetensramverket är tänkt att vara ett levande dokument som speglar det aktuella tillståndet i fältet. Det kommer att uppdateras regelbundet i takt med att kvantteknologier utvecklas.
Kontaktuppgifter
- Franziska Greinert: f.greinert@tu-braunschweig.de
- Rainer Müller: rainer.mueller@tu-braunschweig.de
* Quantum Flagship (qt.eu/): Resources qt.eu//app/uploads/2021/09/ CompetenceFrameworkQuantumTechnologiesV1.pdf (visited 8 Sep. 2021)
Delphi-studie
Det första steget i skapandet av ramverket var att få en översikt över vilka kompetenser gemenskapen anser vara viktiga för framtidens kvantarbetskraft. Vi använde en etablerad metod för att samla in expertutlåtanden: en Delphi-studie. Den består av iterativa enkäter som besvaras av deltagarna i flera omgångar. Frågeformuleringen i varje enkät baseras på resultaten från den föregående enkäten, så att processen är feedbackdriven.
Som visas i Fig. 1, startade Delphi-studien med en mindre pilotomgång (28 deltagare) i mars 2020. Huvudsakligen användes öppna frågor för att få en översikt över svarsspektrumet. Till exempel, deltagarna ombads att besvara frågor som “Vilka kompetenser (och kunskaper) är absolut nödvändiga i sammanhanget ‘Quantum Awareness’ (nämn minst 3)?” eller “Vilka aspekter av kvantteori skulle vara viktiga för utbildning av en anställd i kvantsektorn (nämn minst 3)?”
Enkäten för huvudomgång 1 utformades baserat på dessa resultat. I enlighet med Delphi-metoden hade frågorna i ökande grad ett slutet svarsformat. Denna omgång, som ägde rum hösten 2020, hade 66 deltagare. Deras svar analyserades och användes för att utforma den slutliga enkäten, främst med frågor i slutet svarsformat. Huvudomgång 2 genomfördes på våren och hade 94 deltagare. Totalt fick vi 188 svar från deltagarna.
Deltagarna i pilotomgången hade en övervägande vetenskaplig bakgrund med undervisningserfarenhet. Industri, IT-sektorn och QT-applikationssektorn var knappt representerade. Förhållandet skiftade från cirka 85:15 till cirka 65:35 i de två huvudomgångarna. Forskning/utveckling var dock representerad av cirka 60% av deltagarna i alla tre omgångarna (se Fig. 2). Totalt representeras 30 olika länder av deltagarna, huvudsakligen verksamma inom EU (över 80% av deltagarna i 21 olika EU-länder, de övriga främst i andra europeiska länder).
För varje omgång ombads deltagarna att bedöma sin egen kompetens på en sexgradig skala. I pilotomgången bedömde 75% sin egen kompetens som mycket hög eller hög (1 eller 2 på en skala från 1 till 6), jämfört med 55% i den första huvudomgången. I den andra huvudomgången var den motsvarande frågan mer detaljerad. Här bedömde cirka hälften av deltagarna sin egen kompetens som (mycket) hög, både i allmän och teoretisk kunskap. En tredjedel hade (mycket) hög kompetens i experimentella/praktiska färdigheter. Inom områdena kvantdatorer eller möjliggörande teknologier bedömde 37% sin kompetens som (mycket) hög, i de övriga områdena var det ungefär en fjärdedel var.
En vetenskaplig artikel om Delphi-studien med fler detaljer om metodologin och många andra resultat är under förberedelse. Om du är intresserad av enkäterna eller andra studiedetaljer, vänligen kontakta författarna.
Figur. 1 Delphimetod för denna studie
Resultat av Delphi-studien angående kompetensramverket
Från pilotomgången skapades en karta över kompetenser och innehåll genom en kvalitativ innehållsanalys. Den visar ett fokus på kvantfenomen/grundläggande principer, mindre matematik, mer om den fysikaliska bakgrunden och vissa aspekter på tillämpningar (Fig. 3).
Denna karta användes i huvudomgång 1 som inspiration för en förstrukturerad fråga för att samla in mer konkreta kompetenser. Deltagarna ombads att nämna ett specifikt delområde som “kvantprogramvaruutveckling” och sedan fylla i en tabell: Vilka konkreta kompetenser skulle behövas inom detta område, vad skulle de vara användbara för och vilken expertisnivå skulle krävas? Ett exempel på svar för de tre aspekterna gavs till deltagarna: Förståelse av qubit-operationer och kvantportar skulle vara användbart för att komponera kvantalgoritmer och tillämpa dem på specifika uppgifter, och den nödvändiga expertisnivån skulle vara för användare att ha en djupare grundläggande kunskap om qubit-konceptet och effekterna av olika operatorer på en formell-logisk nivå. Ingen specifik kunskap om den fysiska implementeringen av operatorerna och qubits själva behövs.
I den första huvudomgången genererade denna fråga 180 bidrag, som kategoriserades och sorterades och sedan användes för att skapa en betaversion av ett kompetensramverk för kvantteknologier. Betaversionen presenteras i nästa avsnitt och utvärderades i den andra huvudomgången med fokus på praktiska och mjuka färdigheter. För de övriga områdena baserades revisionen i stor utsträckning på expertintervjuer.
Figur. 2 Procent över deltagares professionella bakgrund över de tre senaste studierundorna.
Figur. 3 Kartaöver kompetenser och innehåll från piloten
Betaversionen (december 2020)
De kategoriserade svaren från den första huvudomgången överfördes till en digital whiteboard (Miro), där de kategoriserades och strukturerades i flera varianter och över flera iterationer. Vi lade också till kompetenser som inte nämndes i svaren från Delphi-studien men som verkade relevanta. Sju huvudområden identifierades på detta sätt som det mest effektiva sättet att strukturera QT-kompetenser.
Ett tydligt fokus på kvantdatorer var märkbart i svaren från gemenskapen: mer än dubbelt så många svar tilldelades detta område jämfört med områdena kommunikation, sensorik/metrologi och simulering tillsammans.
Fig. 4 visar översiktssidan för betaversionen. Det finns sju huvudområden som grovt delas in i konceptuell och teoretisk bakgrund, praktisk bakgrund och kvantteknologier, dvs. tillämpningar av QT och möjliggörande teknologier. Vid upprättandet av huvudområdena tog vi hänsyn till det starka fokus på datorer som vi fann i svaren.
Varje huvudområde innehåller underpunkter. De är vidareutvecklade på detaljsidor (som i Fig. 5). Exempelsvar från den första huvudomgången ges för att klargöra betydelsen av nyckelorden i rutorna. En pil “->” indikerar experternas åsikt om vad en viss kompetens är “nyttig för”, t.ex. “Förståelse av superpositionsprincipen (modellbaserat tänkande, koppla experimentella resultat till teori) -> [är nyttig för] förståelse av vågnatur hos materia och interferenseffekter.”
Bakgrundsfärgen på rutorna indikerar hur ofta aspekten nämndes i svaren från Delphi-studien. Mörkare bakgrund innebär fler omnämnanden. I exemplet i Fig. 5 har “mätning” nämnts mycket ofta, medan “statistisk natur” har nämnts mindre. “Schrödingers katt” nämndes inte alls, men vi tror att den bör vara med (död eller levande).
Figur. 4 Betaversion över kompetensramverk (överblick)
1. Koncept inom kvantfysik
1.1. Grundläggande koncept
1.2. Matematisk formalism
1.3. Qubit-dynamik
2. Atomer, fotoner, halvledare
2.1. Atomfysik
2.2. Fotoner
2.3. Halvledarfysik
3. Möjliggörande teknologier
3.1. Optiska teknologier
3.2. Halvledarteknologier
3.3. Materialvetenskap
3.4. Matematiska och teoretiska metoder
4. Tillämpningar av kvantteknologi
4.1. Kvantsensorer
4.2. Kvantsimulering
4.3. Kvantkommunikation
5. Hårdvara för kvantdatorer
5.1. Fysik för jonfällor
5.2. Supraledande qubits
5.3. Andra arkitekturer (neutrala atomer, NV-centra)
5.4. Kvantkontroll
5.5. Kvantfelkorrigering (bekämpa dekoherens)
5.6. Prestandamätning
5.7. Integration med klassisk hårdvara
6. Kvantalgoritmer och programvara
6.1. Kvantportar
6.2. Kvantfelkorrigeringskoder
6.3. Kvantalgoritmer
6.4. Kvantfelkorrigeringskoder
6.5. Kvantannealers
6.6. Kvantmaskininlärning
7. Praktiska och mjuka färdigheter
7.1. Praktiska/experimentella färdigheter
7.2. Klassisk programmering
7.3. Ledarskap/Management
7.4. Kunskap om industriella processer
7.5. Kunskap inom QT-applikationsområden
7.6. Pedagogiska färdigheter
7.7. Nätverksfärdigheter
7.8. Kunskap om immateriella rättigheter
Fig. 5: Exempel på en “detaljsida” från betaversionen av kompetensramverket
Koncept inom kvantfysik
1.1 Grundläggande Koncept
- Statistisk natur av kvantfysik
- Förstå skillnaden mellan klassisk och kvantmässig slumpmässighet och begrepp om koherens.
- Förståelse av den grundläggande byggstenen av elektronik.
- Superposition, Interferens
- Förstå superpositionsprincipen (modellbaserat tänkande, koppla experimentella resultat till teori) –> förstå vågnaturen hos materia och interferenseffekter.
- Mätprocess
- Förstå process och natur av mätningar i kvantfysik.
- Kvantmätning: [Ingenjörer] behöver förstå koncepten men inte nödvändigtvis de matematiska eller ens fysikaliska underlag.
- Förstå principen om osäkerhet.
- Enhetsutveckling
- Förutse utvecklingen av kvantsystem, extrahera tillståndet och/eller mätbara parametrar.
- Förstå enhetlig utveckling av kvantsystem och deras interaktioner.
- Sammanflätning, icke-lokalitet
- Förstå begreppet sammanflätning –> förstå komplex dynamik av kvantflermangelsystem, nödvändigt för att utveckla/identifiera potentiella tillämpningar.
- Förstå begreppet sammanflätning och fotoninteraktioner –> designa nya källor av sammanflätade fotoner.
- Dekoherens
- Förstå begreppet dekoherens –> bygga och förbättra kvantsimuleringsplattformar kräver minskning av brus, vilket leder till dekoherens.
- Schrödingers katt
- Förstå Schrödingers katt-konceptet (död eller levande) som ett tankeverktyg inom kvantmekanik.
Insamling av feedback i QTEdu-arbetsgrupper
Betaversionen distribuerades i december 2020 via nätverk för kvantfysikutbildning, med en begäran om feedback och särskilt tillägg av saknade punkter. I den feedback vi fick, kritiserades särskilt det starka datorfokuset som beskrivs ovan.
Betaversionen presenterades vid arbetsgruppsmötena i QTEdu-projektet i mars 2021. Vi frågade deltagarna om deras första intryck av kompetensramverket och dess användbarhet. Genom att placera prickar kunde de indikera sin bedömning på en skala mellan “verkligen bra” och “fruktansvärt”. Nästan alla bedömningar var positiva; en stor del av dem var “verkligen bra” bedömningar. I nästa steg samlades kommentarer in och deltagarna uppmanades att anmäla sig som experter för intervjuer om de sju områdena. På detta sätt rekryterades cirka en tredjedel av deltagarna i expertintervjuerna.
Expertintervjuer
För revisionen av betaversionen genomfördes smågruppsintervjuer med experter från de olika områdena (cirka 3-5 experter för varje intervju). Ett undantag var område 7 (praktiska och mjuka färdigheter) där vi fortsatte med Delphi-metoden på grund av det breda omfånget av detta område.
Runt påsk 2021 genomfördes 10 intervjuer med 34 experter (27 olika personer från 10 europeiska länder; några experter deltog i mer än en intervju). Några av dessa experter och även några andra gav skriftlig feedback. Vi samlade kommentarerna från intervjuerna, kategoriserade och strukturerade dem tillsammans med den skriftliga feedbacken och reviderade ramverket på denna grund. Fokus låg på att omstrukturera huvudområdena och generellt lägga till fler kompetenser.
Version 1.0 (maj 2021)
Steget från betaversionen till version 1.0 av kompetensramverket bestod huvudsakligen i att införliva resultaten av expertintervjuerna. Huvudsakliga förändringar jämfört med betaversionen beror på omstruktureringen av QT-tillämpningsområdena till ett allmänt hårdvaruområde (4), databehandling och simulering (5) och sensorer och metrologi (6). Kvantkommunikation har också fått sitt eget område (7) (se Fig. 6).
Innan publiceringen gjordes den reviderade versionen återigen tillgänglig för ett antal experter. Feedback samlades in, vilket ledde till ytterligare mindre förändringar. Slutligen publicerades version 1.0 på QTEdu CSA-projektets webbplats i maj 2021.
Den ursprungliga versionen 1.0 av ramverket uppdaterades endast grafiskt utan några förändringar i innehållet. Den för närvarande tillgängliga versionen är den grafiskt uppdaterade versionen 1.0 med innehåll från maj 2021 (se Fig. 6).
Nästa steg
Version 1.0 innehåller endast en dimension av ett verkligt kompetensramverk: enbart de huvudsakligen innehållsrelaterade kompetenserna visas. En ytterligare dimension med färdighetsnivåer planeras, liknande nivåerna A1 till C2 i den gemensamma europeiska referensramen för språk (CEFR). En sådan metod har också antagits i DigCompEdu-ramverket från Europeiska kommissionen.
I ett nästa steg kan kompetensramverket användas för att definiera jobbprofiler för arbetskraft inom kvantteknologi. En specialist inom kvantinformation behöver till exempel fler kompetenser inom kvantalgoritmer, medan hantering av hårdvara är viktigare inom kvantteknisk ingenjörskonst. På detta sätt framhäver jobbprofiler de respektive nyckelområdena från ramverket för varje specifik QT-yrkesroll. De pekar också på möjliga sätt att navigera genom kompetensramverket för att uppnå de nödvändiga färdigheterna.
På grund av områdets enorma dynamik krävs regelbundna granskningar och revisioner av ramverket. Nya metoder och rön måste införlivas, föråldrat innehåll måste tas bort. Endast på detta sätt kan det tjäna som en långsiktig grund för utveckling och uppdatering av utbildnings- och träningsprogram, certifieringssystem och liknande.
* Quantum Flagship ( qt.eu/): Resources qt.eu//app/uploads/2021/09/CompetenceFrameworkQuantumTechnologiesV1.pdf (visited 8 Sep. 2021)
Fig. 6: Översiktssida för Kompetensramverket för Kvantteknologier Version 1.0 i original (överst) och grafiskt uppdaterad (nederst) version
1. Koncept inom kvantfysik
1.1. Grundläggande koncept
1.2. Matematisk formalism
1.3. Qubit-dynamik
2. Atomer, fotoner, halvledare
2.1. Atomfysik
2.2. Fotoner
2.3. Halvledarfysik
3. Möjliggörande teknologier
3.1. Optiska teknologier
3.2. Halvledarteknologier
3.3. Materialvetenskap
3.4. Matematiska och teoretiska metoder
4. Tillämpningar av kvantteknologi
4.1. Kvantsensorer
4.2. Kvantsimulering
4.3. Kvantkommunikation
5. Hårdvara för kvantdatorer
5.1. Fysik för jonfällor
5.2. Supraledande qubits
5.3. Andra arkitekturer (neutrala atomer, NV-centra)
5.4. Kvantkontroll
5.5. Kvantfelkorrigering (bekämpa dekoherens)
5.6. Prestandamätning
5.7. Integration med klassisk hårdvara
6. Kvantalgoritmer och programvara
6.1. Kvantportar
6.2. Kvantfelkorrigeringskoder
6.3. Kvantalgoritmer
6.4. Kvantfelkorrigeringskoder
6.5. Kvantannealers
6.6. Kvantmaskininlärning
7. Praktiska och mjuka färdigheter
7.1. Praktiska/experimentella färdigheter
7.2. Klassisk programmering
7.3. Ledarskap/Management
7.4. Kunskap om industriella processer
7.5. Kunskap inom QT-applikationsområden
7.6. Pedagogiska färdigheter
7.7. Nätverksfärdigheter
7.8. Kunskap om immateriella rättigheter
Teoretisk bakgrund
- Koncept inom kvantfysik
1.1 Grundläggande koncept
1.2 Matematisk formalism
1.3 Qubit-dynamik
- Fysisk grund för kvantteknologier
2.1 Atomfysik som grund för kvantteknologier
2.2 Kvantoptik som grund för kvantteknologier
2.3 Fasta tillståndets fysik som grund för kvantteknologier
Kvantteknologier
- Möjliggörande teknologier
3.1 Optiska teknologier
3.2 Halvledarteknologier
3.3 Laboratorieteknologier
3.4 Experimentell kontroll
- Hårdvara för kvantdatorer och sensorer
4.1 Supraledande enheter
4.2 Spinbaserade enheter
4.3 Neutrala atomer och joner
4.4 Framväxande qubit-koncept
4.5 Fotoniska system
4.6 Hårdvara för initialisering, manipulation och avläsning av qubits
4.7 Användning av hårdvaruplattformar för kvantdatorer
- Kvantdatabehandling och simulering
5.1 Kvantportar
5.2 Kvantprogrammeringsspråk och verktyg
5.3 Kvantalgoritmer och databehandlingstekniker
5.4 Kvantfelkorrigering
5.5 Kvantsimulering
- Kvantsensorer och metrologi
6.1 Elektromagnetiska fältsensorer
6.2 Temperatur-, partikel- och trycksensorer
6.3 Tröghets- och gravitationssensorer
6.4 Kvantavbildning
6.5 Atomur
6.6 Tillämpningsområden för kvantsensorer
6.7 Sensorintegration och hybridsensorer
- Kvantkommunikation
7.1 Kvantkryptografi
7.2 Kvantnätverk
7.3 Infrastruktur för kvantkommunikation
7.4 Hårdvara för kvantkommunikation
Praktisk bakgrund
- Praktiska och mjuka färdigheter
8.1 Praktiska/experimentella färdigheter
8.2 Klassisk programmering
8.3 Ledarskaps- och managementfärdigheter
8.4 Kunskap om industriella processer
8.5 Att koppla QT med tillämpningar och användningsfall
8.6 Undervisnings- och utåtriktade färdigheter
8.7 Nätverks- och kommunikationsfärdigheter
8.8 Forskningsetik, ansvarsfull forskning och innovation
8.9 Kunskap om immateriella rättigheter, standardisering och certifiering
Referenser:
[1] QTEdu – Koordinations- och stödsåtgärder för utbildning inom kvantteknologi. Quantum Flagship. qtedu.eu (besökt 18 aug. 2021).
[2] Digitalt kompetensramverk för lärare (DigCompEdu). EU Science Hub – Europeiska kommissionen. 2021. ec.europa.eu/jrc/en/digcompedu (besökt 18 aug. 2021).
[3] M. J. Clayton. “Delphi: A Technique to Harness Expert Opinion for Critical Decisionmaking Tasks in Education”. I: Educational Psychology 17.4 (1997), s. 373–386.
[4] P. Mayring. Kvalitativ innehållsanalys. Grunder och tekniker. 12., reviderad upplaga. Beltz, 2015.
[5] CEFR – Gemensam europeisk referensram för språk. commoneuropeanframework.org (besökt 18 aug. 2021).
Vidare läsning:
- F. Gerke, R. Müller, P. Bitzenbauer, M. Ubben, & K.-A. Weber. Quantum Awareness im Ingenieurwesen: Welche Kompetenzen werden in der Industrie von morgen gebraucht? Erste Ergebnisse einer Delphi-Studie. PhyDidB – Didaktik der Physik – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung, Bonn 2020, s. 437-443.
- F. Gerke, R. Müller, P. Bitzenbauer, M. Ubben, & K.-A. Weber. “Requirements for future Quantum Workforce”-Delphi-Studie: Ergebnisse der Pilotrunde. GDCP Tagungsband, Band 41, online Jahrestagung 2020, s. 709-712.
- F. Gerke, R. Müller, P. Bitzenbauer, M. Ubben, & K.-A. Weber. Requirements for future quantum workforce – a Delphi study. GIREP webinar Malta 2020, kommer att publiceras.
- F. Gerke, R. Müller, P. Bitzenbauer, M. Ubben, & K.-A. Weber. Ermittlung von Anforderungen an künftige Quanten-Fachkräfte – Zwischenbericht aus der Delphi-Studie. Kommer att publiceras i PhyDidB – Didaktik der Physik – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung, virtuellt 2021.
Erkännande:
Detta dokument/kompetensramverk är en del av ett projekt som har fått finansiering från Europeiska unionens Horizon 2020-forsknings- och innovationsprogram under bidragsavtal nr 951787.
© Europeiska unionen, 2021
Återanvändningspolicyn för Europeiska kommissionens dokument implementeras av kommissionens beslut 2011/833/EU av den 12 december 2011 om återanvändning av kommissionens dokument (EUT L 330, 14.12.2011, s. 39).
Om inte annat anges, är återanvändningen av detta dokument tillåten enligt Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0) licens (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Detta innebär att återanvändning är tillåten, förutsatt att lämplig kredit ges och eventuella ändringar anges.
Omslagsfoto: © Siarhei / Adobe Stock
Kompetensramverk för kvantteknologier
Sammanställt av Franziska Greinert och Rainer Müller
Version 1.0 (maj 2021)
Finansierat av Europeiska unionen
| INFORMATION | |
|---|---|
| Geografiskt område | Europeiska unionen |
| Ämne | Digitala färdigheter, Kvantberäkning |
| Svårighetsgrad | Digital Expert, Avancerad, Medelsvår, Grundläggande |
| Målgrupp | Digitala färdigheter för alla |
| Typ av initiativ | EU:s institutionella initiativ |
| Industri | Allmänna program och kvalifikationer som inte har definierats ytterligare |