A Quantum Experiment for Secondary School: Teaching Quantum Mechanics With a Quantum Random Number Generator

Quantum mechanics represents a major shift in science, questioning determinism and measurement. Yet in high school it often appears abstract and inaccessible. Curricula usually present it through thought experiments or history, with little opportunity for experiments. This limits engagement and reinforces usual ideas the students have about quantum mechanics, framing quantum physics as purely theoretical. Recent research shows both challenges and opportunities for teaching. Students struggle with concepts like superposition, uncertainty, and probability, while real classroom experiments remain rare. Simplifying content is not sufficient; students benefit when complexity is structured to reveal conceptual and cultural depth. Activities involving experiments help them move from metaphorical ideas to stronger scientific reasoning. This thesis introduces a teaching module centered on a quantum random number generator (QRNG). The device uses single photons and a beam splitter to generate binary random sequences, recorded by an Arduino and displayed with a Raspberry Pi. By witnessing quantum randomness in real time, students connect abstract formalism to concrete experimental outcomes. The module engages students across three registers: narrative and societal, situating quantum randomness historically and technologically; mathematical and formal, reasoning with probability and braket notation; and technical and experimental, focusing on the QRNG setup. A worksheet supports exploration of components, comparisons with classical randomness, and reflection on applications. The goals are the following: to address the absence of experimental quantum activities in high school, and to explore how carefully designed teaching can help students navigate the conceptual and cultural challenges of modern physics.

La meccanica quantistica rappresenta un cambiamento radicale nella scienza, mettendo in discussione determinismo e misurazione. Tuttavia, a scuola superiore appare spesso astratta e inaccessibile. I programmi la presentano di solito tramite esperimenti mentali o storia, con poche opportunità reali, limitando il coinvolgimento e rinforzando le idee preconcette degli studenti, presentandola come puramente teorica. Ricerche recenti mostrano sfide e opportunità per l’insegnamento. Gli studenti faticano con concetti come sovrapposizione, incertezza e probabilità, mentre esperimenti reali restano rari. Semplificare i contenuti non basta; la complessità deve essere strutturata per rivelare profondità concettuale e culturale. Attività sperimentali aiutano a passare da idee metaforiche a ragionamenti scientifici più solidi. Questa tesi introduce un modulo didattico centrato su un generatore quantistico di numeri casuali (QRNG), che usa fotoni singoli e un beam splitter per generare sequenze binarie casuali, registrate da un Arduino e visualizzate con un Raspberry Pi. Osservando la casualità quantistica in tempo reale, gli studenti collegano formalismo astratto a risultati sperimentali concreti. Il modulo coinvolge tre registri: narrativo e sociale, situando la casualità quantistica storicamente e tecnologicamente; matematico e formale, ragionando su probabilità e notazione bra-ket; tecnico e sperimentale, concentrandosi sul setup QRNG. Un foglio di lavoro supporta l’esplorazione dei componenti, confronti con la casualità classica e riflessione sulle applicazioni. Gli obiettivi sono: colmare l’assenza di attività sperimentali a scuola superiore e mostrare come un insegnamento progettato con cura possa aiutare gli studenti ad affrontare le sfide concettuali e culturali della fisica moderna.