Quantenlabor für die Hosentasche – Einzelphotonen-Experimente in der Oberstufe
Wer kennt es nicht? Die Schulexperimente im eigenen Physikunterricht kommen überwiegend gut bei der Klasse an. Doch dann geht es in die Quantenphysik: Der Fokus des Schulunterrichts liegt hier hauptsächlich auf Experimenten zum Photoeffekt oder dem Frank-Hertz-Versuch – Experimente zur Quantenphysik des frühen 20. Jahrhunderts, die meist als Demoexperimente durchgeführt werden. Doch gemäß den Bildungsstandards für die allgemeine Hochschulreife wird darüber hinaus auch die unterrichtliche Behandlung von (einzelnen) Quantenobjekten (Elektronen und Photonen) und ihrem Verhalten festgelegt. Die neue App Quantum AR Lab schafft Abhilfe, indem sie das Quantenphysik-Labor in Augmented Reality ins Klassenzimmer holt und eigenständiges Arbeiten ermöglicht.
Ein Beitrag von Judith M. Schmid, Dr. Malte S. Ubben und Prof. Dr. Philipp Bitzenbauer, Universität Leipzig
Das Problem im Unterricht zum Verhalten einzelner Quantenobjekte ist: Experimente mit einzelnen Photonen sind teuer, ihre Justage ist aufwendig und die Aufbauten sind anfällig. Im Unterricht kommt es also häufig dazu, dass die Themen der Quantenphysik abstrakt bleiben. Gerade das Initiieren kollaborativen Experimentierens stellt mangels geeigneter Schulexperimente eine große Herausforderung für Lehrkräfte dar. Abhilfe soll fortan die App Quantum AR Lab schaffen: Entwickelt an der Professur für Physikdidaktik der Universität Leipzig und in Zusammenarbeit mit der Heartucate GmbH, eröffnet die App einen neuen Zugang. Sie ermöglicht es Schüler:innen, quantenoptische Experimente zum Teilchen- und Wellencharakter einzelner Photonen auf Basis realer Messdaten mittels Augmented Reality unabhängig von räumlichen Randbedingungen offline aufzubauen und durchzuführen – nicht nur in Einzel-, sondern auch in Teamarbeit, wie im realen Quantenoptiklabor.
Sechs Experimente in drei Schwierigkeitsstufen
Quantum AR Lab umfasst sechs Experimente in je drei Schwierigkeitsstufen. Lehrkräfte können somit die Applikation angepasst an Leistungsniveau und Vorwissen der Gruppe nutzen. Sind optische Bauteile noch nicht bekannt? Haben die Schüler:innen noch nie einen Laser justiert oder einen Strahlteiler verbaut? Dann ist Level 1 eine gute Wahl, um mit den Bauteilen vertraut zu werden. Sollen erste eigene Schritte in Richtung Set-up des Experiments gemacht werden? Dann bietet sich Level 2 an, auch um den Umgang mit Messdaten inklusive Unsicherheiten zu trainieren. Für die fortgeschritteneren Gruppen ist Level 3 gemacht: Hier kann sogar das Vorgehen zur Justage quantenoptischer Experimente nachempfunden werden. Für jedes Lernniveau ist also etwas dabei. Benötigt werden lediglich mobile Endgeräte – idealerweise Tablets – sowie ein Netzwerk, in dem sich diese Geräte bei Bedarf für den Multiplayermodus gegenseitig finden können: Die Aufbauten in der App sind dann von allen Endgeräten samt Veränderungen für alle Gruppenmitglieder sichtbar.
Bewegt oder verändert eine Person ein Bauteil, so wird dies auf allen verbundenen Geräten live sichtbar. Damit sind kollaboratives Aufbauen, Justieren und Diskutieren im Team jederzeit möglich.
Hier geht’s zur App
Die App Quantum AR Lab bietet kostenfreies Experimentieren für Schüler:innen in der Quantenphysik.
Unterrichtsimpulse
Inhaltlich umfasst die App drei schulrelevante Kernexperimente, welche die Behandlung von Einzelphotonenexperimenten mit Blick auf die Wesenszüge der Quantenphysik nach Küblbeck und Müller erlauben. Eine mögliche Sequenzierung im Unterricht könnte dann so aussehen:
1. Koinzidenz (Experiment 1): Die Koinzidenzmessung ermöglicht einen direkten Zugang zur Präparation von Einzelphotonenzuständen, indem zeitlich korrelierte Detektionsereignisse zweier Detektoren betrachtet werden. In dem entsprechenden Experiment werden zunächst durch parametrische Fluoreszenz in einem nicht linearen Kristall Photonenpaare erzeugt und über Koinzidenzen (d. h. zeitgleiche Detektionsereignisse an räumlich getrennten Detektoren) nachgewiesen. Im Fall eines koinzidenten Ereignisses kann in einem Arm des Experiments mit einem einzelnen Photon experimentiert werden. Dies ist die Grundlage aller Einzelphotonenexperimente, die in der App enthalten sind.
2. Antikorrelation (Experiment 2): Die Auswertung von Koinzidenzraten führt unmittelbar zur Beobachtung von Antikorrelationseffekten: Wechselwirkt ein einzelnes Photon mit einem Strahlteiler, so zeigt sich, dass es stets nur in einem der beiden möglichen Detektionskanäle registriert wird. Im Unterricht können Lernende diese Schlussfolgerung datenbasiert nachvollziehen, indem sie erwartete und beobachtete Häufigkeiten vergleichen. Der daraus entstehende Widerspruch zu klassischen Vorstellungen schafft einen produktiven Zugang zur Idee des Photons als unteilbares Quant.
3. Interferenz (Experiment 3): Wird der Interferenzaufbau mit Einzelphotonen betrachtet, zeigt sich, dass Interferenzmuster nicht auf einzelne Ereignisse zurückzuführen sind, sondern erst durch die statistische Verteilung vieler Detektionen entstehen. Dies ermöglicht eine differenzierte Diskussion: Einzelne Messwerte sind diskret und eindeutig, während ihre Gesamtheit wellenartige Strukturen offenbart. Besonders aufschlussreich ist in diesem Zusammenhang der Quantenradierer-Versuch: Durch Variation der Einstellung von Polarisationsfiltern lässt sich zeigen, dass Interferenz nur dann beobachtbar ist, wenn keine Weginformation verfügbar ist. Für den Unterricht eröffnet dies die Möglichkeit, die Komplementarität von Weginformation (Teilchencharakter) und Interferenzfähigkeit (Wellencharakter) sowie die fundamentale Rolle des Messprozesses präzise herauszuarbeiten und an konkreten Datensituationen zu diskutieren.
Die Versuche stellen also sicher, dass sowohl die Teilchen- als auch die Welleneigenschaften einzelner Quanten deutlich werden. Vertiefend finden sich noch weiterführende Experimente in der App (zu dem Hong-Ou-Mandel-Dip, der Polarisationsverschränkung und dem Franson-Interferometer); diese gehen aber über die Lehrplaninhalte zur Quantenphysik an der Schule hinaus und bieten sich besonders für interessierte Schüler:innen sowie die Hochschullehre an.
Fazit
Das Quantum AR Lab bietet eine Spielwiese für verschiedene unterrichtliche Aktivitäten im Kontext der Quantenphysik. Weder kostspielige Aufbauten noch die zeitaufwendige Justage stehen im Weg. Dies macht die Anwendung im Schulalltag einfach nutzbar – jederzeit, von überall und auch offline: Das Quantenlabor kann ganz einfach in der Hosentasche herumgetragen werden!
Quelle
Küblbeck, J. & Müller, R. (2007). Die Wesenszüge der Quantenphysik: Modelle, Bilder, Experimente. Aulis.
Headerbild | © Vincent Schiller
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