Vom Doppelspalt zum Quantencomputer · 2015. 7. 13. · Vom Doppelspalt zum Quantencomputer...
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Vom Doppelspalt zum Quantencomputer
Aktuelle Physik in der Schule
Herbert Rubin
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Aufbau der
Lerneinheit
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Vorstellungen von Licht
Newton Huygens Young
1704 1678 1804
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Linienspektren
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Äusserer Photoeffekt Hallwachs-Effekt
Heinrich Hertz Wilhelm Hallwachs
1886 - 1887
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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?
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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
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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
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Schrödingergleichung (1926)
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Vereinfachtes Modell
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Elektronen am Doppelspalt
Claus Jönsson führt 1959 das Doppelspaltexperiment mit Elektronen durch
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Moderne Doppelspaltexperimente
Quelle: Am. J. of Ph.; Vol. 76, No. 2; Feb. 2008: The wave-particle duality of light: A demonstration experiment
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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?
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Welchen Weg nimmt das Photon?
Interferenz ohne Weginformation
Keine Interferenz mit Weginformation
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EPR-Paradoxon
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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.
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Polarisierender Strahlteiler
Det
ekto
ren
Ungemessener Zustand
Erste Messung präpariert die Photonen
Resultat der zweiten Messung ist deshalb vorbestimmt
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Det
ekto
ren
Polarisierender Strahlteiler
Erste Messung präpariert die Photonen in H/V
Resultat der zweiten Messung rein zufällig
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Verschränkte Photonen
Detektoren Detektoren
Filter
Lichtquelle
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Die Verletzung der Bellschen Ungleichungen
?
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Die Verletzung der Bellschen Ungleichungen
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Was ist eine Berechnung?
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Elementare Schaltkreise klassischer Computer
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Quantenbits
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Quantenbits
Operationen auf einem Qubit
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Zufallsgenerator
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Quantenregister
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Quantenregister
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Münzwurf
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Münzwurf
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Verschränkung
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Verschränkung
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Verschränkung
Die Verschränkungsoperation
auf den vier Basiszuständen
gibt vier verschränkte Zustände, die sog. Bell-Zustände
EPR-Paar
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Sind diese Zustände verschränkt?
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Verschränkung
Detektoren Detektoren
Filter
Lichtquelle
EPR-Paare
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Teleportation
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Teleportation
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Teleportation
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Teleportation
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Teleportation
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Teleportation
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Teleportation
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Teleportation
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Teleportation
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Kryptografie
OMIFUIKO heisst soviel wie GUTENTAG
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Kryptografie
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Kryptografie
One-Time-Pads
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Kryptografie
Das Protokoll BB84
Bennett und Brassard 1984
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Kryptografie
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