Vom Doppelspalt zum Quantencomputer

Aktuelle Physik in der Schule

Herbert Rubin

Aufbau der

Lerneinheit

Vorstellungen von Licht

Newton Huygens Young

1704 1678 1804

Linienspektren

Äusserer Photoeffekt Hallwachs-Effekt

Heinrich Hertz Wilhelm Hallwachs

1886 - 1887

Erklärung des Photoeffekts

• Was passiert, wenn die Zn-Platte positiv geladen wird?

• Was passiert, wenn wir das Licht mit einer Sammellinse auf

die Zn-Platte fokussieren?

• Wie muss man sich demzufolge den Entladungsvorgang

vorstellen?

• Wie lange dauert es, bis unter Annahme kontinuierlicher

Einstrahlung das erste Elektron abgelöst wird?

• Weshalb können wir das Licht der Sterne sehen?

Atommodelle Das Bohrsche-Modell (1913)

Im Jahr 1913 gelang dem jungen dänischen Physiker Niels Bohr eine Erklärung unter Einbeziehung der Planck-Einstein‘schen Lichtquantenhypothese, der zufolge sich das Licht in Form von sehr kleinen Energiepaketen, den Lichtquanten, ausbreiten sollte.

Damit konnte er die Entstehung und die Absorption des Lichtes in bzw. durch die Atome sowie deren Stabilität erklären. → On the Constitutions of Atoms and Molecules

Materiewellen

Prince Louis-Victor de Broglie (1892-1987)

1923, Nobelpreis 1929

De Broglie-Hypothese:

Gilt auch für Teilchen

Gebundenes Elektron als stehende Welle Erklärung der BohrschenQuantenbedingungen

Schrödingergleichung (1926)

Vereinfachtes Modell

Elektronen am Doppelspalt

Claus Jönsson führt 1959 das Doppelspaltexperiment mit Elektronen durch

Moderne Doppelspaltexperimente

Quelle: Am. J. of Ph.; Vol. 76, No. 2; Feb. 2008: The wave-particle duality of light: A demonstration experiment

Wie lassen sich die Beobachtungen erklären?

• Interferieren die Photonen mit sich selber?

• Geht ein Photon durch beide Spalte?

• Kann ein Photon mit einem bereits nicht mehr

existierenden Photon interferieren?

• Entweder oder? Oder sowohl als auch?

⇒ Konzept der Superposition

Wie kann ein Interferenzmuster aus einzelnen Photonen entstehen?

Welchen Weg nimmt das Photon?

Interferenz ohne Weginformation

Keine Interferenz mit Weginformation

EPR-Paradoxon

EPR - Kriterien

• Das Lokalitätskriterium: Ein physikalisches Ereignis kann sich nur in unmittelbarer Nähe direkt auswirken. Eine instantane Auswirkung über beliebige Distanzen ist nicht möglich. Die Wirkung eines Ereignisses kann sich höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

• Das Realitätskriterium: Falls es möglich ist, an einem Objekt eine physikalische Grösse bestimmen oder vorhersagen zu können, ohne das Objekt dabei in irgendeiner Weise zu stören oder zu beeinflusssen, muss dieser Grösse eine physikalische Realität zugesprochen werden.

Polarisierender Strahlteiler

Det

ekto

ren

Ungemessener Zustand

Erste Messung präpariert die Photonen

Resultat der zweiten Messung ist deshalb vorbestimmt

Det

ekto

ren

Polarisierender Strahlteiler

Erste Messung präpariert die Photonen in H/V

Resultat der zweiten Messung rein zufällig

Verschränkte Photonen

Detektoren Detektoren

Filter

Lichtquelle

Die Verletzung der Bellschen Ungleichungen

?

Die Verletzung der Bellschen Ungleichungen

Was ist eine Berechnung?

Elementare Schaltkreise klassischer Computer

Quantenbits

Quantenbits

Operationen auf einem Qubit

Zufallsgenerator

Quantenregister

Quantenregister

Münzwurf

Münzwurf

Verschränkung

Verschränkung

Verschränkung

Die Verschränkungsoperation

auf den vier Basiszuständen

gibt vier verschränkte Zustände, die sog. Bell-Zustände

EPR-Paar

Sind diese Zustände verschränkt?

Verschränkung

Detektoren Detektoren

Filter

Lichtquelle

EPR-Paare

Teleportation

Teleportation

Teleportation

Teleportation

Teleportation

Teleportation

Teleportation

Teleportation

Teleportation

Kryptografie

OMIFUIKO heisst soviel wie GUTENTAG

Kryptografie

Kryptografie

One-Time-Pads

Kryptografie

Das Protokoll BB84

Bennett und Brassard 1984

Kryptografie

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