Der Elitzur-Vaidman-Bombentest – ein Beispiel für Quantenüberlegenheit

Lernziele

• Die Schüler*innen werden mit Konzepten vertraut gemacht, die für das Quantencomputing wichtig sind: Superposition und Messungen an Quantenobjekten.
• Die Schüler*innen entdecken, was Quantenüberlegenheit bedeutet: Sie stellen fest, dass in manchen Fällen die Quantenphysik gegenüber der klassischen Physik Vorteile hat.

In dieser Unterrichtseinheit wird von den Schüler*innen erwartet, dass sie größtenteils selbstständig und mit minimaler Unterstützung durch die Lehrkraft arbeiten. Sie lösen Aufgaben mithilfe der folgenden interaktiven Simulationen bzw. Spiele:

• „Quantum Mechanics Visualisation Project“ (QuVis), entwickelt von der University of St. Andrews (Großbritannien)
• Quantum Flytrap (Quanten-Fliegenfalle; Entwicklung: Piotr Migdał, Design: Klem Jankiewicz). Das Spiel steht auch auf Deutsch sowie weiteren Sprachen zur Verfügung.

Struktur der Unterrichtseinheit

Diese Unterrichtseinheit besteht aus zwei Arbeitsblättern für Schüler*innen und einer PowerPoint-Präsentation. Die Aufgaben und Dateien sind so konzipiert, dass die Schüler*innen sie selbstständig bearbeiten können. In der Arbeitsblatt-Version für Lehrkräfte sind die Lösungen zu den Aufgaben enthalten.

Der erste Teil der Unterrichtseinheit wird durch die Aufgaben Teil 1 und 2 abgedeckt; die Ziele und die Struktur sind:

• Die Schüler*innen erkunden mithilfe der Simulation der University of St. Andrews den Aufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers. (10 Minuten). Hier klicken: Interferometer Experimente
• Die Schüler*innen untersuchen im Mach-Zehnder-Interferometer das Verhalten eines klassischen Teilchens und vergleichen es mit dem Verhalten eines Photons (eines Quantenobjekts). (10 Minuten)
• Die Schüler*innen sollen die Interferenzeffekte eines einzelnen Photons mithilfe des Konzepts der Superposition erklären können.
• Die Schüler*innen untersuchen, was passiert, wenn mithilfe der Quantum-Flytrap-Simulation eine Messung am Superpositionszustand des Photons durchgeführt wird: (5 Minuten). Hier klicken: Spiel „Peeking at a photon“

Im zweiten Teil der Unterrichtseinheit befassen sich die Schüler*innen mit dem eigentlichen Nachweis von Quantenbomben. Die Lehrkraft kann zur Vorstellung des Experiments die vorbereitete Präsentation (ca. 15 Minuten) verwenden. Die Schüler*innen erfahren, wie man mit einem Mach-Zehnder-Interferometer funktionierende lichtempfindliche Bomben aufspüren kann, ohne dass sie zur Explosion gebracht werden.

Am Ende der Präsentation erhalten die Schüler*innen die Aufgabe, ihr Wissen mithilfe der Simulation „Quantum Bomb Detection“ anzuwenden und zu überprüfen. Diese Aufgabe kann auch als Hausaufgabe vergeben werden.

Die Präsentation kann hier als pdf oder pptx heruntergeladen werden.

Alternativ können die Schüler*innen direkt die Aufgaben Teil 3 bearbeiten. Die Schüler*innen untersuchen mithilfe der Simulation, wie effizient die Bombentester-Methode zum Aufspüren funktionierender Bomben ist.Da dies einige Zeit in Anspruch nimmt, kann es auch als Hausaufgabe aufgegeben werden.

Referenzen

Hier finden Sie alle Links und Online-Materialien, die erwähnt und zur Erstellung dieser Unterrichtseinheit verwendet wurden. Die Links können an die Schüler weitergegeben werden, um deren Wissen zu vertiefen: