Die Quanteninformationstheorie ist ein modernes interdisziplinäres Forschungsgebiet, welches Quantentheorie und Informationswissenschaften vereint. Dabei geht es einerseits um eine systematische Untersuchung und ein besseres Verständnis der seltsamen Quanteneigenschaften, allen voran der quantenmechanischen Verschränkung, andererseits um eine praktische Nutzung dieser Effekte im Sinne der Informationsverarbeitung. In den letzten Jahren hat es dabei sowohl auf konzeptioneller als auch auf experimenteller Ebene interessante Fortschritte gegeben, welche uns einer praktischen Nutzung von Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und Quanteninformationsverarbeitung mit Quantencomputern näher bringen. In diesem Beitrag soll die Relevanz der Quanteninformationstheorie für den Schulunterricht -im Sinne eines alternativen Zugangs zur Quantenphysik- diskutiert und erste Ansätze für ein darauf basierendes Unterrichtskonzept vorgestellt werden.
Die Quanteninformationstheorie ist ein modernes interdisziplinäres Forschungsgebiet, welches Quantentheorie und Informationswissenschaften vereint. Dabei geht es einerseits um eine systematische Untersuchung und ein besseres Verständnis der seltsamen Quanteneigenschaften, allen voran der quantenmechanischen Verschränkung, andererseits um eine praktische Nutzung dieser Effekte im Sinne der Informationsverarbeitung. In den letzten Jahren hat es dabei sowohl auf konzeptioneller als auch auf experimenteller Ebene interessante Fortschritte gegeben, welche uns einer praktischen Nutzung von Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und Quanteninformationsverarbeitung mit Quantencomputern näher bringen. In diesem Beitrag soll die Relevanz der Quanteninformationstheorie für den Schulunterricht -im Sinne eines alternativen Zugangs zur Quantenphysik- diskutiert und erste Ansätze für ein darauf basierendes Unterrichtskonzept vorgestellt werden.
In den letzten Jahrzehnten hat die Quantentechnologie rasante Fortschritte gemacht. Die sich daraus ergebenden Anwendungen und Möglichkeiten dringen immer stärker in das Bewusstsein der interessierten Menschen und finden ihren Niederschlag in der medialen Begleitung. Parallel dazu bahnt sich ein Paradigmenwechsel im Unterricht über Quantenphysik sowohl an der Schule als auch an der Universität an. Insbesondere treten die vielfach diskutierten Interpretationsfragen in den Hintergrund und machen einer pragmatischen Betrachtungsweise Platz, die die Besonderheiten der Quantenphysik als gegeben akzeptiert und sie für neue bislang ungeahnte Anwendungen nutzt. Dabei stellt sich die Frage, welche Aspekte für den Schulunterricht auf verschiedenen Stufen, für die universitäre Ausbildung von Physikern und von Ingenieuren von besonderer Bedeutung sind. In diesem Vortrag werde ich mich auf den Bereich der Quanteninformatik konzentrieren und ausloten, welche Aspekte sich hierbei im Sinne einer Allgemeinbildung als relevant und realisierbar für den schulischen Unterricht erweisen können.
Quanteninformationstheorie untersucht die Möglichkeiten mit Quantensystemen Information zu verarbeiten. Die ungewöhnlichen Eigenschaften der Quantenmechanik, wie beispielsweise Superposition und Verschränkung, erlauben neue Wege der Informationsverarbeitung, die in klassischen Theorien nicht denkbar wären. In den letzten Jahren wurden diese besonderen Quanteneffekte dazu genutzt, um außergewöhnliche Resultate, wie zum Beispiel Quantencomputer, Quantenkryptographie und Quantenkommunikation, zu erreichen. Das Feld der Quantenkommunikation erforscht die Prinzipien der Quantenmechanik, um bestimmte Aufgaben und Protokolle zu realisieren, die mit klassischen Ressourcen unmöglich wären. Im Allgemeinen ist Kommunikation der Prozess bei dem eine Nachricht von einem Sender zu einem Empfänger übermittelt wird. Solch ein Vorgang benötigt die Kodierung der zu sendenden Information auf einem Signalträger (elektromagnetische Wellen, Spannung, mechanische Wellen, etc.), der den Gesetzen der Physik gehorcht. Aus dieser Perspektive ermöglicht die Quantenmechanik mit ihren der Intuition widersprechenden Prinzipien einen völlig neuen Rahmen für Kommunikationstheorie und Informationsverarbeitung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Modell der Kommunikation mit beschränkten Ressourcen (gemessen an der Anzahl an Informationsträgern) und endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu untersuchen. Wir zeigen, dass Kommunikation, welche die obigen Restriktionen erfüllt, für klassische Systeme grundlegenden Schranken gehorcht. Im Gegensatz dazu können diese klassischen Barrieren durch Quanteneffekte überwunden werden. Tatsächlich kann Quantenkommunikation mit nur einem Teilchen in räumlicher Superposition und mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu „Mehrwegkommunikation“ führen, was mit rein klassischen Ressourcen unmöglich wäre. Im Kontext von Mehrspieler Kommunikationsspielen zeigen wir einerseits, dass für klassische Theorien die Gewinnwahrscheinlichkeit immer unter Eins liegt und mit der Anzahl der Spieler monoton sinkt. Andererseits erlaubt Kommunikation mittels eines Quantenteilchens in Superposition verschiedener Aufenthaltsorte das Spiel unabhängig von der Anzahl der Spieler immer mit Sicherheit zu gewinnen. Dieses Protokoll wird explizit für zwei, drei und fünf Parteien charakterisiert und danach für eine beliebige Anzahl an Spielern verallgemeinert. Des Weiteren schlagen wir eine mögliche experimentelle Implementation mit einzelnen Photonen für ein Spiel mit drei Parteien vor.
Quantencomputer Quantencomputerwurden ursprünglich bereits im letzten Jahrhundert als neuartige Computer vorgeschlagen, um insbesondere Simulationen von quantenmechanischen Prozessen zu verbessern. In den letzten Jahren konnten Quantencomputer auch praktisch realisiert werden und stehen nun als erste kleine Geräte kommerziell zur Verfügung. Dadurch kann das Potential für unterschiedliche Anwendungsbereiche eingehender praktisch erforscht werden. Ein vielversprechender Bereich ist die quantengestützte Künstliche Intelligenz (KI), wo der Einsatz von Quantencomputing z. B. zu einem dateneffizienteren Training führen kann. Dieser Beitrag diskutiert den aktuellen Stand von Quantencomputing und zeigt mögliche Perspektiven einer quantengestützten KI auf, einschließlich möglicher Anwendungsfelder und aktueller Herausforderungen.
In diesem Beitrag werden die Merkmale der sogenannten Zeugenschaft, die im Kontext des konventionellen psychologischen und philosophischen Diskurses oft schwer zu verstehen sind, im Rahmen einer quantenmechanischen Theorieperspektive untersucht, die das grundlegende Verhalten von Materie und Energie beschreibt. Der Autor stellt die These vor, dass Aspekte der Quantenmechanik und einer neu konzipierten sozialen Quantentheorie für die Analyse und Interpretation von Zeugenschaft wesentlich sind. Dabei stellt der vorliegende Ansatz selbst ein gutes Beispiel dar für die interdisziplinäre Forschung zwischen Quantenphysik, Metaphysik und dem intraaktiven Dialog zwischen wissenschaftlicher Theorie und kontemplativer Praxis. Ziel dieser Forschung und dieses Dialogs ist es, eine ‚Wissenschaft des Bezeugens‘ zu etablieren, um den Akt des Bezeugens als Werkzeug für transformative Bildung in die Welt zu bringen.
Mathematische Strukturen sind wesentlicher Bestandteil der Beschreibung von Quantenphysik. Nicht zuletzt wird die Quantentheorie als eine der wichtigsten physikalischen Theorien überhaupt bezeichnet und Mathematik als wesentlich für ein konzeptionelles Verständnis angesehen. Dementsprechend scheint es plausibel, dass mathematische Beschreibungen schon in der Schule zu einem Verständnis quantenphysikalischer Konzepte beitragen können, weshalb es erstrebenswert ist, den Einfluss mathematischer Beschreibungen auf das Verständnis im Kontext der Schule umfassend zu untersuchen. In einer qualitativen Laborstudie werden die Akzeptanz gegenüber einer mathematisch formalen Beschreibung sowie die Rolle mathematischer Repräsentationen für das Verständnis quantenphysikalischer Prinzipien untersucht. Dabei werden in einem ersten Schritt Lehramtsstudierende und Lehrkräfte befragt, worauf in einem zweiten Schritt die Befragung von Lernenden der Sekundarstufe II folgen soll. Ergebnisse der Befragung von Lehramtsstudierenden werden hier vorgestellt.
Verschränkung ist eine der wichtigsten Besonderheiten der Quantentheorie, welche kein klassisches Analogon besitzt. Aufgrund dieser ist es nicht länger angemessen zusammengesetzte Systeme lediglich als eine Kombination von unabhängig voneinander beschreibbaren Subsystemen zu betrachten. Anstatt dessen gibt es Quantenzustände die inseparabel bezüglich der einzelnen Bestandteile des Systems sind. Wohingegen Verschränkung zunächst als eine Art künstlicher Fehler der Theorie angesehen wurde, hat sich deren Existenz mittlerweile durch zahlreiche Experimente bestätigt. Diese Gegebenheit hat weitreichende Konsequenzen. Auf einer fundamentalen Ebene lässt sich hiermit zeigen, daß es keine lokal-realistische Alternative zur Quantentheorie gibt. Zusätzlich stellt Verschränkung eine Ressource für neue Technologien der Informationsverarbeitung dar, wie z.B. Quantenkryptographie, Dense Coding, Quantenteleportation oder der Quantencomputer. Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahrzehnten gibt es noch viele offene Fragen bezüglich Verschränkung und deren Manifestationen. Dies gilt insbesondere für Verschränkung in komplexen Vielteilchensystemen. Gegenstand dieser Dissertation ist es Verschränkung und nicht-lokal-realitsche Korrelationen in zusammengesetzten endlich-dimensionalen Quantensystemen (Multipartite Qudits) zu untersuchen und zu verstehen. Um die Analyse solcher Systeme zu erleichtern, werden neue mathematische Hilfsmittel, wie zum Beispiel praktische Parameterisierungen von unitären Gruppen, Dichtematrizen und Unterräumen vorgestellt. Die Struktur von Verschränkung in Vielteilchensystemen wird betrachtet, und eine exakte Charakterisierung von Multilevel-Vielteilchenverschränkung wird eingeführt. Es werden Methoden zur Verschränkungsdetektion angegeben, und deren experimentelle Implementierung diskutiert. Ein weiteres Thema ist die Quantifizierung von Verschränkung. In diesem Zusammenhang wird ein nützliches Maß für Vielteilchenverschränkung vorgestellt. Darüber hinaus wird auch die Klassifizierung von Vielteilchenverschränkung thematisiert, und ein systematischer Ansatz zur Unterscheidung verschiedener Klassen angegeben. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Relationen zwischen Verschränkung und anderen fundamentalen Aspekten der Quantentheorie. Insbesondere wird eine Verbindung zwischen dem Komplementaritätsprinzip und dem Separabilitätsproblem hergestellt. Besondere Aufmerksamkeit gilt auch dem Zusammenhang zwischen Verschränkung und nicht-lokal-realitischen Korrelationen. Hier wird eine geometrische Struktur, welche diskreten zusammengesetzten Systemen zugrunde liegt, verwendet, um deren Verschiedenartigkeit veranschaulichen zu können.