Simulation der Quantensuperposition und der Verschränkung

Benötigtes Material

• Software: Arduino IDE
• Online-Tool: www.tinkercad.com

Hardware (falls der Schaltkreis tatsächlich gebaut werden soll)

Für den Superpositionssimulator

Für den Verschränkungssimulator

Aufgaben für Lehrkräfte

• Tinkercad Classrooms installieren, Arduino-Code-Vorlagen und Schaltpläne zur Verfügung stellen.
• Die Begriffe der Superposition und/oder der Verschränkung in der Quantenphysik einführen (siehe andere Unterrichtseinheiten innerhalb dieses Projekts).
• Vorführen, wie im Schaltkreis Superposition bzw. Verschränkung durch blinkende oder pulsierende LEDs oder durch Reaktionen auf Schalter simuliert wird.
• Den Schüler*innen helfen, die elektronischen Bauteile – LEDs, Widerstände, Taster, Schalter – richtig zu platzieren.
• Die Schüler*innen bei den Programmieraufgaben unterstützen.
• Zu Fragen und Diskussionen ermuntern.
• Mit kurzen Quizfragen, Diskussionen oder Mini-Präsentationen überprüfen, was die Schüler*innen verstanden haben.

 
Aufgaben für Schüler*innen

• Grundlagen der Elektronik und Programmierung erlernen.
• Den Schaltplan mit Tinkercad erstellen, Code hochladen und verändern.
• Mit dem Superpositionssimulator bzw. dem Verschränkungssimulator herumexperimentieren.
• Die Vorgehensweise dokumentieren und Ergebnisse und Schwierigkeiten präsentieren.
• Kreativ darüber nachdenken, wie der Simulator reale Quantensysteme noch besser simulieren kann, und Verbesserungsvorschläge machen.

Superposition simulieren

Hier können Sie die Tinkercad‑Simulation zur eigenen Nutzung aufrufen.

In der seltsamen Welt der Quantenphysik existieren Teilchen wie Elektronen oder Photonen nicht einfach in dem einen oder anderen Zustand – sie können gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren, ein Phänomen, das als Superposition bezeichnet wird. Der Arduino-Schaltkreis, der in dieser Unterrichtseinheit gebaut wird, ahmt ein Quantensystem nach, das sich in einer Superposition zweier Grundzustände befindet: $|0⟩$ und $|1⟩$. Solange keine Messung Messung durchgeführt wird, kann man nur Wahrscheinlichkeiten dafür angeben, ob sich das System im Zustand $|0⟩$ oder im Zustand $|1⟩$ befindet.

In dem mit Tinkercad entworfenen elektronischen Schaltkreis, der anschließend mit Arduino und elektronischen Elementen (wie Steuer-LEDs, Tasten und Schaltern) gebaut wird, werden diese Wahrscheinlichkeiten mithilfe eines Zufallsgenerators (analogRead()-Funktion von Arduino) und dem fluktuierenden Rauschen eines nicht genutzten analogen Pins simuliert.

Um verschiedene „Wahrscheinlichkeiten“ einstellen zu können, die bei einer Messung einen konkreten Messwert liefern, wird ein Potentiometer verwendet. Durch Auslesen des Potentiometerwertes mit analogRead() kann man einstellen, wie wahrscheinlich es ist, dass bei einer Messung der Zustand $|0⟩$ oder der Zustand $|1⟩$ gemessen wird.

Während der „Superpositionsphase“ blinkt die RGB-LED. Nach der „Messung“ leuchtet sie dagegen entweder rot ($|0⟩$) oder grün ($|1⟩$). Über eine Schleife wird das System kontinuierlich zurückgesetzt. Das veranschaulicht die in der Quantenphysik wichtigen Begriffe der Superposition und der Messung.

Der Taster im Schaltplan von Abb. 3a dient dazu, „eine Messung durchzuführen“, während man mit dem Schalter zwischen den beiden Zufallsgeneratoren wechseln kann.

Verschränkung simulieren

Hier können Sie die Tinkercad‑Simulation zur eigenen Nutzung aufrufen.

Quantenkonzepte wie Verschränkung sind schwer zu verstehen, da sie keine direkte Entsprechung in unserer Alltagserfahrung haben. Eine Simulation ermöglicht es den Schüler*innen, diese Ideen visuell darzustellen. Sie können beispielsweise zwei „verschränkte” Objekte erschaffen, die so miteinander verbunden sind, dass wenn ein Objekt „gemessen” wird (z. B. indem sich seine Farbe von blau zu rot ändert), das andere Objekt sofort und gleichzeitig in einen damit „verknüpften“ Zustand wechselt (z  B. seine Farbe von grün zu gelb wechselt). Die beiden Objekte sind dadurch „korreliert“, in der Quantenphysik sagt man, sie seien verschränkt.

Die Simulation hilft den Schüler*innen, den Unterschied zwischen Quantenverschränkung und einer klassischen Korrelation zu erkennen. Ein klassisches Beispiel sind zwei bunte Bälle in zwei Schachteln. Öffnet man eine Schachtel und findet darin einen roten Ball, weiß man, dass sich in der anderen Schachtel ein blauer Ball befindet. In diesem Fall handelt es sich nicht um Verschränkung, da die Zustände (die Farben) von Anfang an festgelegt waren. Eine Quantenverschränkungssimulation zeigt, wie die Zustände zunächst unbestimmt sind, bis ein Zustand gemessen wird.