Werkzeug der Quantenphysik für eine Vielzahl an Experimenten
mit Einzelphotonen und verschränkten Photonenpaaren.

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Quantenphysik und Weltbilder

Quantenphysik –
Revolution unseres Weltbilds

Der Anspruch der Physik war es immer, die Welt bis ins kleinste Detail zu beschreiben. Doch die Quantenphysik lässt dieses Weltbild an seine Grenzen stoßen und eröffnet einen völlig neuen Blickwinkel.

Kaum etwas hat die Menschheit so sehr beschäftigt wie das Licht. Ob es nun in der Bibel als Ursprung allen Lebens beschrieben wird, den Philosophen der Antike als Symbol für absolute Erkenntnis galt, wir einzelne historische Abschnitte als „dunkles Zeitalter” beschreiben oder die Aufklärung mit „Erleuchtung” gleichsetzen – beim Ringen um Wissen, Glauben und unseren Platz im Universum war das Licht schon immer eine gern genommene Metapher.
„Es werde Licht! Und es ward Licht.“ – Altes Testament, Das erste Buch Mose
Camille Flammarion: L’atmosphère, Paris 1888, Kolorierung: Hugo Heikenwaelder, Wien 1998.
„Ein Missionar des Mittelalters erzählt, dass er den Punkt gefunden hat, wo der Himmel und die Erde sich berühren …“ – Camille Flammarion: L’atmosphère, Paris 1888, Kolorierung: Hugo Heikenwaelder, Wien 1998.
Zum Untersuchungsgegenstand wurde es allerdings erst mit dem Aufkommen der modernen Naturwissenschaften, insbesondere innerhalb der Physik. Bis weit in die Neuzeit hinein war relativ unklar, was Licht eigentlich ist. Dessen wirkliche Erforschung wurde erst durch ein Verständnis von Wissenschaft möglich, das in der frühen Phase der Aufklärung seinen Ursprung hatte: Die Reduzierung von Beobachtungen auf einfache Gesetzmäßigkeiten, ein Prinzip, das auch von Isaac Newton bei der Formulierung der klassischen Mechanik angewandt wurde.
„Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält” – Johann Wolfgang von Goethe
Die klassische Mechanik gab Anstoß zu einem Weltbild, das ab diesem Zeitpunkt auch das Verständnis von Kultur, Staatswesen, Gesellschaft oder Seelenleben veränderte. Die Menschheit erlangte, losgelöst von religiösem Dogma und beflügelt durch den Geist der Aufklärung, ein völlig neues Selbstbewusstsein. Denn wenn die Welt bestimmten physikalischen Gesetzen folgt und die Menschheit in der Lage ist diese zu entschlüsseln, würden sich irgendwann sämtliche Phänomene vollständig erklären und vorhersagen lassen.
Mechanische Ente, Jaques de Vaucanson, 1738.
Jacques de Vaucanson schuf 1738 in Paris eine mechanische Ente, die mit Flügeln flatterte, Wasser trank und sogar einen Verdauungstrakt hatte. Sein Traum war es einen funktionierenden künstlichen Menschen zu erschaffen – Mechanische Ente, Jaques de Vaucanson, 1738.
Mit der Aufklärung setzte so eine wissenschaftliche Suche nach Kausalität ein, die den Anspruch hatte, alles zueinander in Bezug zu setzen – oder, wie es Goethe formulierte, herauszufinden, „was die Welt im Innersten zusammenhält”. Es ist eine besondere Ironie der Geschichte, dass ausgerechnet zuerst das Licht dafür sorgte, dass dieses Bild zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit dem Aufkommen der Quantenphysik ins Wanken geriet. Plötzlich gab es Theorien, die die zuvor in der klassischen Mechanik und der Relativitätstheorie wurzelnden Anschauungen unter bestimmten Voraussetzungen widerlegte. An die Stelle der eindeutigen Bestimmbarkeit trat die Unschärfe und an die Stelle der genauen Berechnung trat die Wahrscheinlichkeit.
„Der Alte würfelt nicht” – Albert Einstein
Denn wo vorher genau bestimmt werden konnte, wie sich ein bewegliches Objekt – etwa ein Himmelskörper – verhalten wird, lässt die Quantentheorie diese Bestimmung nur noch mit der Hilfe von Wahrscheinlichkeiten zu. Ein Verständnis, das die physikalische Zunft damals schockierte. „Der Alte würfelt nicht”, so eines der bekanntesten Zitate von Albert Einstein, der selbst wertvolle Beiträge zur Quantenphysik lieferte. Auch die Phrase ”spukhafte Fernwirkung“, die sich auf das völlig neue Phänomen der Verschränkung bezieht, stammt von Einstein.
Patricia Enigl, IQOQI, Wien.
Wiener Forscher spielen auf “Schrödingers Katze” mit verschränkten Photonenpaaren und einer Blende an. Die roten Photonen haben nie mit dem Objekt “interagiert”, zeigen aber die Katzenform – Patricia Enigl, IQOQI, Wien.
So viele Rätsel die Quantenphysik aufwarf, so offensichtlich ist ihr Nutzen: Im Alltag begegnet sie uns in den meisten technischen Geräten, in elektronischen Halbleiterelementen und damit jedem Mikrochip, in der Magnetresonanztomographie aber natürlich auch in Lasern oder Leuchtdioden. Die Quantenphysik ist damit eine der am besten experimentell überprüften Theorien der Physik.
„Das Verständnis reicht oft viel weiter als der Verstand” – Marie von Ebner-Eschenbach
Dies führte allerdings noch nicht dazu, dass das Verständnis einer absoluten, deterministischen Vorstellung der Welt und des Universums in Frage gestellt wurde. Die Quantenphysik ist jetzt über 100 Jahre alt und es ist sehr leicht viele gute Zitate von ihren Gründern aus der Zeit ihrer Entstehung zu finden. In der heutigen Zeit ist ihr wirkliches Verständnis allerdings auf Randbereiche der Physik beschränkt und hat noch keinen wirklichen Zugang zu anderen Bereichen der Gesellschaft erreicht. Es müssen deshalb schon junge Menschen mit diesen Phänomenen in Berührung kommen und sie durch wirkliches „Begreifen“ verstehen. Dies ist der „Aufklärungsanspruch“ des Quantenkoffers.
Der Quantenkoffer bietet die Möglichkeit durch die völlig freie Kombination unterschiedlicher Spielsteine und die intelligente Software sowohl bekannte Experimente aus gut 100 Jahren Quantenphysik als auch eigene Ideen umzusetzen.

Der Quantenkoffer - robust, mobil und schnell einsetzbar! Ein Schwerpunkt des Quantenkoffers besteht in der Flexibilität hinsichtlich der Erzeugung und Detektion von sichtbarem Laserlicht, einzelnen Photonen und sogar verschränkten Paaren. Um ein möglichst breites Spektrum an Experimenten und Themen abzudecken, greifen optische Elemente, mechanische Bauteile und digitale Schaltungen lückenlos ineinander.
Werkzeug der Quantenphysik für eine Vielzahl an Experimenten mit Einzelphotonen und verschränkten Photonenpaaren. Sensible aber robuste Avalanche-Photodioden sind Teil der Messeinheit für Einzelphotonendetektion. Leistungsfähige Digitaltechnik erlaubt sogar eine Zeitauflösung im Picosekundenbereich.

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Quelle für einzelne Photonen und verschränkte Paare
Ein gepulster Laser und optische Kristalle bilden das Herzstück der Photonenquelle unterhalb der Spielfläche im Koffer. Durch nichtlineare Prozesse in den Kristallen werden einzelne Photonenpaare im nahen Infrarotbereich erzeugt.
Automatische Justage
Flexibles Experimentieren
Einzelphotonen-Detektoren
Zeitauflösung im Picosekundenbereich
Universell einsetzbar
Intuitives Bedienkonzept
Robust und sicher