In seinen Schriften zur Epistemologie schreibt Gaston Bachelard "toute connaissance est réponse à une question". In dieser Arbeit wird das Mach- Zehnder-Interferometer präsentiert, um eine Problemsituation vorzustellen, mit derer Hilfe die Schüler mit unterschiedlichen Modellen für das Licht Teilchen, Wellen und Photonen konfrontiert werden. Ein konzeptuelles Profil der Schüler über das Verhalten von Photonen wird dargestellt. Im Kapitel "Quantenphysik-Unterricht und Epistemologie" wird der Leitfaden eines Unterrichtsvorschlags zur Einführung in die Quantenphysik in der Sekundarstufe präsentiert. Die ersten Abschnitte des Kapitels widmen sich der Vorstellung einiger didaktischer Überlegungen aus repräsentativen Unterrichtsvorschlägen zur Quantenphysik in der Sekundarstufe II und der Vorstellung grundlegender Ideen aus der Epistemologie Gaston Bachelards. Die didaktische Adaptation der epistemologischen Auffassung Bachelards wird am Beispiel eines Unterrichtsvorschlags, in dem die Lichtausbreitung im Mach-Zehnder- Interferometer mit zunehmender Abstraktion im Verlauf von vier epistemologischen Unterrichtsfeldern betrachtet wird, vorgestellt. Im Kapitel Das Mach-Zehnder Interferometer wird eine Beschreibung verschiedener Möglichkeiten für die Betrachtung der Lichtausbreitung im Mach-Zehnder- Interferometer für klassisches Licht und für Photonen präsentiert und einige Interpretationen der Quantenphysik diskutiert. Im Kapitel "Die Untersuchung" werden die Leitlinien und einige Ergebnisse einer explorativen Untersuchung der Schülervorstellungen über das Verhalten von Photonen vorgestellt. Um die Schülervorstellungen über Photonen zu erheben und zu klassifizieren haben wir uns an dem Begriff des "konzeptuellen Profils" orientiert. Der Begriff des konzeptuellen Profils wurde in Anlehnung an den von Bachelard geprägten Begriff "epistemologisches Profil" eingeführt. In den Anhängen sind Lehrerhandreichung und Unterrichtsmaterialien, die von Lehrern im Unterricht verwendet wurden, und die Fragebogen beigefügt.
In seinen Schriften zur Epistemologie schreibt Gaston Bachelard "toute connaissance est réponse à une question". In dieser Arbeit wird das Mach- Zehnder-Interferometer präsentiert, um eine Problemsituation vorzustellen, mit derer Hilfe die Schüler mit unterschiedlichen Modellen für das Licht Teilchen, Wellen und Photonen konfrontiert werden. Ein konzeptuelles Profil der Schüler über das Verhalten von Photonen wird dargestellt. Im Kapitel "Quantenphysik-Unterricht und Epistemologie" wird der Leitfaden eines Unterrichtsvorschlags zur Einführung in die Quantenphysik in der Sekundarstufe präsentiert. Die ersten Abschnitte des Kapitels widmen sich der Vorstellung einiger didaktischer Überlegungen aus repräsentativen Unterrichtsvorschlägen zur Quantenphysik in der Sekundarstufe II und der Vorstellung grundlegender Ideen aus der Epistemologie Gaston Bachelards. Die didaktische Adaptation der epistemologischen Auffassung Bachelards wird am Beispiel eines Unterrichtsvorschlags, in dem die Lichtausbreitung im Mach-Zehnder- Interferometer mit zunehmender Abstraktion im Verlauf von vier epistemologischen Unterrichtsfeldern betrachtet wird, vorgestellt. Im Kapitel Das Mach-Zehnder Interferometer wird eine Beschreibung verschiedener Möglichkeiten für die Betrachtung der Lichtausbreitung im Mach-Zehnder- Interferometer für klassisches Licht und für Photonen präsentiert und einige Interpretationen der Quantenphysik diskutiert. Im Kapitel "Die Untersuchung" werden die Leitlinien und einige Ergebnisse einer explorativen Untersuchung der Schülervorstellungen über das Verhalten von Photonen vorgestellt. Um die Schülervorstellungen über Photonen zu erheben und zu klassifizieren haben wir uns an dem Begriff des "konzeptuellen Profils" orientiert. Der Begriff des konzeptuellen Profils wurde in Anlehnung an den von Bachelard geprägten Begriff "epistemologisches Profil" eingeführt. In den Anhängen sind Lehrerhandreichung und Unterrichtsmaterialien, die von Lehrern im Unterricht verwendet wurden, und die Fragebogen beigefügt.
AuszugUm den Aufbau von Quantenhardware zu verstehen, sind tiefere Kenntnisse der Physik nötig. Darum bleibt dieses Kapitel eher an der Oberfläche: das Ziel ist die Beschreibung einiger realisierter Quantencomputer. Es geht darum, prinzipiell zu verstehen, wie Operationen auf Quantenbits realisiert werden können und welche Schwierigkeiten dazu überwunden werden müssen. Wir beginnen mit einer allgemeinen Erörterung, welche Anforderungen Quantencomputer zu erfüllen haben. Am ausführlichsten behandeln wir die Informationsverarbeitung mit Hilfe von Photonen. Dabei kommt dem Abschnitt 9.3.1 über das Mach-Zehnder-Interferometer eine Schlüsselrolle zu.
Mit Hilfe der Semiotik wird untersucht, wie es der Quantenphysik gelingt, Formeln plausibel zumachen, deren zugrunde liegender physikalischer Sachverhalt nicht einem Alltagsverständnis bzw. einem Verständnis im Sinne der klassischen Physik zugänglich ist. Dabei geht es um eine allgemein anerkannte Art des Verständlichmachens bestimmter physikalischer Formeln jenseits der individuellen Ausprägung von Fähigkeiten des Erklärens und Verstehens, sozialer Phänomene und geschichtlicher Entwicklungen, indem man diesen Formeln jeweils ein bestimmtes Experiment zur Seite stellt. Das Experiment ist dabei so gewählt, dass das physikalische Phänomen, das in der Formel beschrieben wird, im Experiment untersucht wird, so dass sich die Formel dann als Auswertung des Experimentes ergibt. Um den schillernden Begriff des Verständnisses auf das für die Untersuchung Notwendige zu beschränken, wird der Begriff Plausibilisierung eingeführt. In einer hermeneutischen Herangehensweise wird ein geeignetes semiotisches Modell dieser wesentlichen argumentativen Figur der Physik anhand von drei Beispielen physikalischer Phänomene entwickelt: die geradlinige Bewegung eines Körpers mit konstanter Geschwindigkeit für die klassische Physik, das Spektrum des energetisch angeregten Wasserstoffs für die ältere Quantenphysik und die Streuung von Elektronen am Doppelspalt für die moderne Quantenphysik. Für jedes der drei Beispiele lassen sich die betreffende Formel und das zugehörige Experiment jeweils als Zeichen auffassen. Lässt sich die Situation der klassischen Physik gut mit dreistelligen Zeichen erfassen, erweist sich der zweistellige Zeichenbegriff für die Situation der Quantenphysik als adäquater. Die Plausibilisierung als Gefüge dieser beiden Zeichen zwingt nicht zu der Annahme, dass einer Formel als Kompositionen von Elementen der Ausdrucksseite eines gewöhnlichen Textes ein Element auf der Inhaltsseite entspricht. Vielmehr dient die zu plausibilisierende Formel dazu, Elemente der Wirklichkeit auf der Ausdrucks- und Inhaltsseite aufeinander zu beziehen. Die Wirkungsweise des Zeichens in der Plausibilisierung der Quantenphysik ist damit nicht negiert, sondern adäquater als beim gewöhnlichen Text in der Physik. Die Plausibilisierung erlaubt, die semantische Interpretation von Formeln zu relativieren, ohne auf ein Verständnis ihrer zeichenbezogenen Funktionsweise verzichten zu müssen.
Obwohl Störungen ist untrennbar mit einer klassisch-Welle Phänomen, ist das Superpositionsprinzip, die Störungen zu Grunde liegt im Herzen der Quantenphysik. Feynman genannten Störungen als wirklich "das einzige Geheimnis" der Quantenphysik [FLS63].Offensichtlich Störungen konfrontiert uns mit einigen grundlegenden Fragen der Auslegung der Quantenphysik. Trotz seiner langen Geschichte geht zurück auf Thomas Young zu Beginn des 19. Jahrhunderts, Quanten interferenzoptisch noch Herausforderungen unseres Verständnisses.Mit der Entwicklung der experimentellen Techniken zur schnellen und empfindlichen Messungen von Licht, ist es möglich geworden durchzuführen viele der gedankenexperiments deren Interpretationen wurden weithin im Laufe der Entwicklung der Quantenphysik [Whe84, SD82, SEW91, Per00] diskutiert. Die vorliegende Arbeit enthält die experimentelle Realisierung von drei verschiedenen gedankenexperiments: ein nicht-lokales Quantenradierer, Zwei-Photonen-Hong-Ou-Mandel Interferenz unter Bedingungen und Einstein Lokalität verzögerten Wahl Verschränkung Swapping. Der Zweck dieser Arbeit ist es, experimentell zeigen einige der counter-intuitive Features der Quantenphysik über verschiedene Quantenphänomene. Sie unterstreichen deutlich die unterschiedlichen Vorstellungen von Raum und Zeit, zwischen klassischer und Quantenphysik. Solche Augenbrauen-Anhebung Eigenschaften von Raum und Zeit in der Quantenphysik wurden "als eines der faszinierendsten Effekte in der Quantenmechanik beschrieben "[AZ05]. Die "spukhafte Fernwirkung" (in Einsteins Worten) eines verschränkten Systems ist in auffälliger Weise von Scully et al illustriert. 'S Quantenradierer [SD82, SEW91], in denen man wählen, ob oder nicht zu löschen, die kann- Pfadinformation eines Teilchens durch Ausführen einer geeigneten Messungen auf ein anderes Teilchen mit verschränkten es. Da die Quantenmechanik ist gleichgültig gegen die räumliche und zeitliche Reihenfolge der Messungen an verschränkten Teilchen, können Sie diese Auswahl beliebig verschoben werden und räumlich in Bezug auf das störende Ereignis des ersten Teilchens voneinander getrennt (siehe Kapitel 3). Wheeler dargestellten Grundsatz der Komplementarität mit Einzel-Photonen-Interferenz in einer verzögerten Wahl Gedankenexperiment [Whe84]. Im Gegensatz zur Einzel-Photonen-Interferenz (Störung zweiter Ordnung), die ein klassisches Analogon hat, ergibt sich Zwei-Photonen-Hong-Ou-Mandel (HOM) Störungen (Interferenzen vierter Ordnung) von der bosonischen Natur der Photonen und die unitäre Transformation von einem Strahlteiler. Wie von Mandel betonte, "diese Vorhersage hat kein klassisches Analogon, und seine Bestätigung wäre ein interessanter Test der Quantentheorie des elektromagnetischen Feldes dar" [Man83, Man99]. Die Realisierung der Zwei-Photonen-HOM Interferenzversuch unter Einstein Lokalität Bedingungen (dh die relevanten Ereignisse sind relativistisch space-like getrennt) deutlich erweitert Wheeler's verzögerten Wahl Gedankenexperiment Konzept (siehe 4.2). In der Quantenphysik, können die Ereignisse beeinflussen, wie wir die Daten in der Vergangenheit erzielten interpretieren. Dieses Phänomen wird in illustrierten Peres 'delayed-Wahl Verstrickung-Swapping Gedankenexperiment [Per00], wo man wählt, ob oder nicht zu verstricken zwei Teilchen, nachdem sie erkannt wurden und nicht einmal mehr zu existieren.Die Ergebnisse zeigen, dass die zeitliche Reihenfolge der Wahl und die Messung Veranstaltungen in einem solchen Experiment irrelevant ist, wie vorhergesagt durch die Quantenphysik (siehe 4.3). Die wichtigsten Merkmale der Experimente in dieser Arbeit vorgestellt werden: (1) High-Speed-elektro-optische Modulatoren von einem Quanten-Zufallszahlen-Generator, die zusammen ermöglichen es uns, schnell umzusetzen und zufällige Messung der Photonen gesteuert. (2) Die räumliche und zeitliche Beziehungen der verschiedenen Veranstaltungen, die im Raum-Zeit-Diagramme dargestellt werden können, sind in geeigneter Weise angeordnet, um nicht-klassischen und counter-intuitive Features der Quantenphysik zeigen.
Es gibt die verbreitete Aussage, dass Quantenverschränkung, ein Schlüsselkonzept in der Quantenmechanik, kontraintuitiv sei. Diese Behauptung kann aber nicht nur Laien zugeschrieben werden, sondern findet sich auch bei Wissenschaftlern der Quantenmechanik wieder. Wie können wir uns das verständlich machen? Ich bearbeite dieses Thema auf Basis von vier miteinander verwobenen Gesichtspunkten: Erstens, auf einer theoretischen Ebene lege ich die hier relevanten Unterschiede zwischen der klassischen Physik und der Quantenmechanik vor. Dies geschieht hauptsächlich anhand des EPR Gedankenexperiment und den entsprechenden Standpunkten von Einstein et al. und Schrödinger. Zweitens, auf einer experimentellen Ebene veranschauliche ich die Kontraintuitivität der Quantenverschränkung im Zusammenhang mit einem spezifischen Forschungsfeld. Im Konkreten erfolgt dies anhand der Quanten-Optomechanik, genauer der Experimente der Forschungsgruppe „Quantum Foundations and Quantum Information on the Nano- and Microscale“ der Universität Wien. Drittens, auf einer persönlichen Ebene werte ich meine Interviews mit den Mitgliedern ebendieser Forschungsgruppe aus. Viertens, auf einer philosophischen Ebene mache ich mir Schlüsselkonzepte von Gaston Bachelards Epistemologie zunutze, wie zum Beispiel das epistemologische Profil oder einer durch Erfahrung belehrten Vernunft. Alle diese vier Aspekte werden zusammengenommen um zwei Aufgaben zu erfüllen: Einerseits die Konkretisierung der Besonderheiten und Merkmale der Kontraintuitivität im Kontext der Quantenverschränkung. Andererseits die Betrachtung der Frage ob und wie das Experimentieren mit Quantenverschränkung den Umgang mit dessen Kontraintuitivität erleichtert, zum Beispiel durch Gewöhnung. Im Großen und Ganzen stellt die Diplomarbeit keine tiefgreifende Analyse dieser beiden Themen zur Verfügung, sondern liefert eine plausible Annäherung an das Problem.
Ein wesentliches Merkmal von Quantenobjekten ist die Fähigkeit zur Interferenz. In einem Mach-Zehnder-Interferometer beobachtet man Interferenz von Laserstrahlen oder auch Einzelphotonen. Für Laserstrahlung lässt sich dieses Phänomen klassisch sehr anschaulich mithilfe der Überlagerung zweier elektromagnetischer Wellen erklären, die auf zwei unterschiedlichen Wegen durch das Interferometer propagieren. Entscheidend für die quantenphysikalische Erklärung ist, dass für ein Einzelphoton, das zum Interferenzmuster beiträgt, keine Information über den tatsächlich genommenen Weg durch das Interferometer vorliegt. Liegt stattdessen Welcher-Weg-Information vor, trägt das Einzelphoton nicht zum Interferenzmuster bei. Klassisch kann man dazu einen der beiden Strahlengänge im Interferometer blockieren: Das Interferenzmuster verschwindet. Wir gehen hier der Frage nach, was mit dem Interferenzmuster passiert, wenn ein Strahlengang etwas geschwächt wird, z.B. durch ein Objekt mit Transmissionskoeffizient T und wie sich die Sichtbarkeit der Interferenz (= Interferenzkontrast) im Experiment sogar quantifizieren lässt. Der Interferenzkontrast charakterisiert unter anderem die Performanz von Experimenten zur Quantenbildgebung und die Transmission des Objekts. Somit beleuchtet dieser Artikel auch einen wichtigen Teilaspekt moderner Quantentechnologien und bereitet ihn für Lehramtsstudierende und außerschulische Lernorte auf. Weiterhin wird das Mach-Zehnder-Interferometer mit einem Objekt im Strahlengang ausführlich mathematisch beschrieben, da Lehramtsstudierende der Physik nicht nur den Dirac-Formalismus im Rahmen der zweiten Quantisierung auf ein schultaugliches Real-Experiment anwenden können, sondern auch Interferenz sprachlich sauber charakterisieren lernen.