Post on 28-Jan-2021
transcript
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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