Quantenverschränkung mithilfe von LEDs modellieren
Übersicht
Schlüsselbegriffe: Quantenzustand, quantenmechanischer Messprozess, Quantenverschränkung
Alter: 16-19 Jahre
Erforderliche Kenntnisse/Fähigkeiten: keine
Zeitrahmen: 45-60 Minuten für jede Unterrichtseinheit
Autorin: Elena Poncela Blanco (ES)
Material
- ein Micro:bit (oder Calliope mini)
- ein Computer oder Tablet, auf dem die Schüler*innen das Programm schreiben können
- das Arbeitsblatt: Quantenverschränkung mithilfe von LEDs modellieren. Hier als PDF oder docx herunterladen.
Aufgaben für die Schüler*innen
Die Schüler*innen arbeiten zu zweit. Jedes Schülerpaar verfügt über einen micro:bit, auf den der Code bereits hochgeladen wurde. Um das Programm auszuführen, müssen die Schüler*innen mehrmals die Taste A drücken.
# Imports go at the top
from microbit import *
def button(i, j, k, l):
leds=[0,1,2,3,4]
display.set_pixel(leds[i],leds[j],9)
display.set_pixel(leds[k],leds[l],9)
sleep(2000)
counter=0
while True:
while button_a.get_presses()==1 and counter==0:
counter+=1
button(0,0,4,0)
display.clear()
while counter==1:
if button_a.get_presses()==1:
counter+=1
button(1,0,2,0)
while counter==2:
if button_a.get_presses()==1:
counter+=1
display.set_pixel(1,0,0)
button(3,0,4,0)
while counter==3:
if button_a.get_presses()==1:
counter+=1
display.set_pixel(1,0,9)
display.set_pixel(2,0,9)
button(3,0,4,0)
sleep(2000)
display.clear()
counter=0
Anmerkung: Jede LED im micro:bit kann anhand von zwei Koordinaten (x, y) lokalisiert werden.
Erklären Sie Ihren Schüler*innen, was Verschränkung bedeutet. Betonen Sie dabei, dass zwei Teilchen auch dann verschränkt bleiben, wenn sie weit voneinander entfernt sind. Sie können die Schüler*innen beispielsweise die Geschichte „Zwei Photonen, eine Geschichte – Ein metaphorischer Ansatz zur Verschränkung“ lesen lassen.
Die an den Qubits durchgeführten Messungen werden mithilfe der beiden Zustände einer LED im micro:bit simuliert: AN oder AUS.
Die Schüler*innen sollen herauszufinden, welche LEDs (die Quantenobjekte simulieren) „verschränkt“ sind.
Weisen Sie die Schüler*innen darauf hin, dass in dieser Aktivität nur zwei LEDs so „verschränkt“ sind, dass beim „Messen“ (d. h. Überprüfen) einer von ihnen die andere immer das gegenteilige Ergebnis liefert. Mit anderen Worten: Wenn eines der „Quantenobjekte“ eingeschaltet ist, ist das damit „verschränkte“ ausgeschaltet und umgekehrt.
Sie können den Code auch mit einem micro:bit-Simulator testen.
Lösung
| Messung | LED (0,0) | LED (1,0) | LED (2,0) | LED (3,0) | LED (4,0) |
|---|---|---|---|---|---|
| Messung 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| Messung 2 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Messung 3 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| Messung 4 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Tabelle 1: Messergebnisse der LEDs des micro:bit, auf den das oben genannte Programm hochgeladen wurde. 1 steht für AN und 0 für AUS.
LED (0,0) und LED (2,0) sind miteinander verschränkt, da sie nach jeder Messung stets entgegengesetzte Ergebnisse liefern.
Weiterführende Aktivität
Fordern Sie die Schüler*innen auf, die micro:bits so zu programmieren, dass die „Quantenobjekte“ (LEDs) auf andere Weise oder unter Verwendung weiterer LEDs verschränkt werden. Anschließend werden die micro:bits zwischen den Gruppen getauscht. Die jeweils andere Gruppe muss herausfinden, welche „Quantenobjekte“ miteinander verschränkt sind.
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