Hands-On Quantenoptik

Projekttitel: Hands-On Quantenoptik

Promotionsprojekt von: Benedikt Weiss

Worum geht’s?

Die Quantenphysik ist seit einigen Jahren fester Bestandteil der Oberstufenphysik. Viele Curricula und Lehrpläne folgen dabei grob der historischen Entwicklung der Quantenphysik. Die dabei eingesetzten Standardexperimente zur Quantenphysik (Photoeffekt, Compton-Effekt, Doppelspaltversuch, Interferometer) lassen sich jedoch klassisch oder semiklassisch mit einer elektromagnetischen Welle und quantisierter Materie im Detektor erklären und sind somit kein Nachweis für die Quantennatur des Lichts. Darüber hinaus gehen einige dieser Experimente mit konzeptionellen Fallstricken einher.

Auch erregen Quantentechnologien in den letzten Jahren nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der Öffentlichkeit verstärkt Aufmerksamkeit, weshalb intensiv über neue Zugänge zur Quantenphysik diskutiert wird, die näher an aktuellen technischen Anwendungen orientiert sind.

In diesem Promotionsprojekt wird angestrebt, Schülerinnen und Schülern einen neuen, experimentellen Zugang zur Quantenphysik zu ermöglichen, basierend auf Anton Zeilingers Experiment zur Quantenbildgebung mit nicht-detektiertem Licht (Nobelpreis für Physik 2022). In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Markus Gräfe (Experimentelle Festkörper-Quantenoptik, Institut für angewandte Physik, TU Darmstadt) und Dr. Jens Küchenmeister (Educational Products Business Leader, Thorlabs GmbH) soll ein vereinfachter Aufbau dieses Experiments zur Quantenbildgebung entwickelt und ein außerschulisches Lernangebot rund um dieses Experiment konzipiert, erprobt und wissenschaftlich begleitet werden.

Ein entscheidender Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass es sich um ein Realexperiment zur Quantenverschränkung handelt, das eine medizinische Anwendung der Quantenbildgebung (als Kontext für die Lerneinheit) bietet. So können neben den grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik auch Konzepte wie Superposition und Verschränkung sowie ein modernes Verständnis der Physik vermittelt werden.

„Die Frage, warum ich mich mit Quantenphysik auseinandersetzen möchte, lässt sich nicht in wenigen Worten beantworten. Für manche Tiere ist es unbegreiflich, dass ein Objekt weiterhin existiert, sobald es aus ihrer Wahrnehmung verschwunden ist. Wir hingegen, wie viele andere Lebensformen, sind in der Lage, in jungen Jahren Objektpermanenz zu erlernen und zu verstehen – was für eine erstaunliche Leistung! In unserem Alltag ist dies eine Selbstverständlichkeit. Doch seit gut 100 Jahren beginnen wir zu begreifen, dass ein Quant, sofern es nicht gemessen wird, sich zu keiner Zeit an einem bestimmten Ort befindet, was aber keinesfalls bedeutet, dass es „nirgendwo“ ist. Was sagt das über seine Existenz aus? Und was über unser Selbstverständnis? Die Quantenphysik lässt mich täglich die Grenzen des Begreifbaren erfahren. Das bedeutet nicht, dass die Quantenphysik unverständlich ist, vielmehr bricht sie mit allem, was wir in unserer alltäglichen Welt für selbstverständlich halten. Von meinem Projekt erhoffe ich mir, einen kleinen Beitrag dazu leisten zu können, dass auch in Zukunft immer mehr junge Menschen die Möglichkeit erhalten, das kindliche Staunen über die Eigenarten unserer Welt zu erfahren – so wie ich es noch immer tue.“ (Benedikt Weiss)

Kooperationen:

AG Gräfe, Thorlabs GmbH

Förderung:

-

Links:

Experimentelle Festkörper-Quantenoptik