Vom Doppelspalt zum Quantencomputer

Vom Doppelspalt zum Quantencomputer Aktuelle Physik in der Schule Herbert Rubin

Aufbau der Lerneinheit

Vorstellungen von Licht Huygens Newton Young 1704 1678 1804

Linienspektren

Äusserer Photoeffekt Hallwachs-Effekt Wilhelm Hallwachs Heinrich Hertz 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?

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

Materiewellen Prince Louis-Victor de Broglie (1892-1987) De Broglie-Hypothese: Gebundenes Elektron als stehende Welle Erklärung der BohrschenQuantenbedingungen Gilt auch für Teilchen 1923, Nobelpreis 1929

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? 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

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.

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

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

Verschränkte Photonen Lichtquelle Detektoren Detektoren Filter

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

Münzwurf

Verschränkung

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

Sind diese Zustände verschränkt?

Verschränkung EPR-Paare Lichtquelle Detektoren Detektoren Filter

Teleportation

Kryptografie OMIFUIKO heisst soviel wie GUTENTAG

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Kryptografie Das Protokoll BB84 Bennett und Brassard 1984

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