Vom Doppelspalt zum Quantencomputer

Transkript

1 Vom Doppelspalt zum Quantencomputer Aktuelle Physik in der Schule Herbert Rubin

2 Aufbau der Lerneinheit

3 Vorstellungen von Licht Huygens Newton Young

4 Linienspektren

5 Äusserer Photoeffekt Hallwachs-Effekt Wilhelm Hallwachs Heinrich Hertz

6 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?

7 Das Bohrsche-Modell (1913) Atommodelle 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

8 Materiewellen Prince Louis-Victor de Broglie ( ) De Broglie-Hypothese: Gebundenes Elektron als stehende Welle Erklärung der BohrschenQuantenbedingungen Gilt auch für Teilchen 1923, Nobelpreis 1929

9 Schrödingergleichung (1926)

10 Vereinfachtes Modell

11 Elektronen am Doppelspalt Claus Jönsson führt 1959 das Doppelspaltexperiment mit Elektronen durch

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

13 Wie lassen sich die Beobachtungen erklären? Wie kann ein Interferenzmuster aus einzelnen Photonen entstehen? 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

14 Welchen Weg nimmt das Photon? Interferenz ohne Weginformation Keine Interferenz mit Weginformation

15 EPR-Paradoxon

16 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.

17 Detektoren Polarisierender Strahlteiler Ungemessener Zustand Erste Messung präpariert die Photonen Resultat der zweiten Messung ist deshalb vorbestimmt

18 Detektoren Polarisierender Strahlteiler Erste Messung präpariert die Photonen in H/V Resultat der zweiten Messung rein zufällig

19 Verschränkte Photonen Lichtquelle Detektoren Detektoren Filter

20 Die Verletzung der Bellschen Ungleichungen?

21 Die Verletzung der Bellschen Ungleichungen

22 Was ist eine Berechnung?

23 Elementare Schaltkreise klassischer Computer

24 Quantenbits

25 Quantenbits Operationen auf einem Qubit

26 Zufallsgenerator

27 Quantenregister

28 Quantenregister

29

30

31 Münzwurf

32 Münzwurf

33 Verschränkung

34 Verschränkung

35 Verschränkung Die Verschränkungsoperation auf den vier Basiszuständen gibt vier verschränkte Zustände, die sog. Bell-Zustände EPR-Paar

36 Sind diese Zustände verschränkt?

37 Verschränkung EPR-Paare Lichtquelle Detektoren Detektoren Filter

38 Teleportation

39 Teleportation

40 Teleportation

41 Teleportation

42 Teleportation

43 Teleportation

44 Teleportation

45 Teleportation

46 Teleportation

47 Kryptografie OMIFUIKO heisst soviel wie GUTENTAG

48 Kryptografie

49 One-Time-Pads Kryptografie

50 Kryptografie Das Protokoll BB84 Bennett und Brassard 1984

51 Kryptografie

52 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!