Begriffe
Echter-Zufallszahlengenerator – Emission – Ensemble – Grundprinzip 1 (Statistisches Verhalten) – Grundprinzip 2 (Interferenz von einzelnen Quantenobjekten) – Grundprinzip 3 (Eindeutige Messergebnisse) – Grundprinzip 4 (Komplementarität) – Grundprinzip 5 (Verschränkung) – Hadamardgatter – Interferenz – Komplementarität – Messung – No-Cloning Theorem – Phasenverschieber – Polarisation – Präparation – Pseudozufallszahlengenerator – Quantenzufallszahlengenerator – Quantisiert – Qubit – Reflektion – Repeater – Strahlenteiler – Superposition – Teilchenhaft – Transmission – Wellenhaft – Welle-Teilchen Dualismus – Verschränkung
Erklärungen
Echter-Zufallszahlengenerator
Echte-Zufallszahlengeneratoren leiten die Zufallszahlen aus Prozessen der klassischen Physik ab. Diese Prozesse sind zwar theoretisch vorhersagbar und berechenbar, in der Praxis erweist sich dies aber als schwierig, weil es viele unbekannte Variablen und Freiheitsgrade gibt oder das System von chaotischem Verhalten abhängt.
Emission
Das Wort „Emission“ hat einen lateinischen Ursprung und besteht aus den Wörtern „ex“ – „aus“ und „mittere“ – „senden“. In diesem Kontext beschreibt es die Aussendung des Lichts aus einem Objekt heraus.
Ensemble
Ein Ensemble ist eine Vielzahl an Quantenobjekten, die durch eine experimentelle Anordnung in den gleichen Zustand gebracht werden.
Grundprinzip 1 (Statistisches Verhalten)
Die Quantenphysik macht nur statistische Vorhersagen, die für viele Wiederholungen des gleichen Experiments gelten. Einzelereignisse sind im Allgemeinen nicht vorhersagbar.
Grundprinzip 2 (Interferenz von einzelnen Quantenobjekten)
Interferenz tritt auf, wenn es zwei oder mehr „Wege“ gibt, die zu demselben Versuchsergebnis führen. Keine der Alternativen ist dann im klassischen Sinn realisiert – die Quantenobjekte befinden sich in Überlagerungszuständen.
Grundprinzip 3 (Eindeutige Messergebnisse)
Messungen liefern immer einen eindeutigen Wert der gemessenen Größe. Das gilt auch in Überlagerungszuständen, in denen das Quantenobjekt keinen festen Wert der zu messenden Größe hat.
Grundprinzip 4 (Komplementarität)
Es gibt Paare von Observablen, die man nicht gleichzeitig an einem Ensemble von Quantenobjekten auf bestimmte Werte präparieren kann.
Grundprinzip 5 (Verschränkung)
Mehrere Quantenobjekte können verschränkt sein und unabhängig von ihrer räumlichen Position auf ganz bestimmte Weise miteinander in Beziehung stehen. Verschränkte Quantenobjekte können nicht als einzelne unkorrelierte Systeme beschrieben werden.
Hadamardgatter
Das Hadamardgatter ist ein Beispiel eines Quantengatters. Es ist in der Lage ein Qubit in einen Superpositionszustand von 0 und 1 zu transferieren. Dies erkennst du auch an der mathematischen Beschreibung des Hadamardgatters; hier wird beschrieben wie die Wellenfunktion eines Qubits von einem bestimmten Zustand in einen Superpositionszustand transferiert wird.
Interferenz
Interferenz ist ein Phänomen, welches nicht nur in der Quantenphysik oder bei Quantenobjekten beobachtet werden kann. Es kann auch in der klassischen Optik beobachtet werden, bspw. beim Experimentieren mit Interferometern. Interferenz wird durch die Überlagerung von Wellen verursacht, welche zu einer Addition der Wellen führt. Hierbei sind zwei wichtige Phänomene festzuhalten: konstruktive und destruktive Interferenz. Es kommt zur konstruktiven Interferenz wenn sich die Wellenmaxima oder die Wellenminima überlagern. Die Wellen überschneiden sich in diesem Fall so, dass die resultierende Welle eine größere Amplitude hat. Überlagern sich die Wellen in solch einer Weise, dass sich Wellenmaxima mit Wellenminima überlappen, so hat die resultierende Welle eine geringere Amplitude. Dies wird als destruktive Interferenz bezeichnet.
Komplementarität
Der Begriff der Komplementarität umfasst viele unterschiedliche Facetten und Bereiche. Allgemein lässt sich festhalten, dass vor allem darauf aufmerksam gemacht wird, dass bestimmte Observable, Eigenschaften oder Phänomene nicht gleichzeitig existieren oder definiert werden können. Wichtige Beispiele sind vor allem der Welle-Teilchen-Dualismus, die Heisenberg’sche Unschärferelation oder die Polarisationszustände von Licht. Im Rahmen der Lernmaterialien fokussieren wir uns auf die gleichzeitige Präparation von Observablenpaaren an einem Ensemble von Quantenobjekten. Dies ist für bestimmte Paare (Ort – Impuls, H/V – +/- Basis) nicht möglich. Die Präparation von einer Größe führt zu einem zufälligen Messergebnis im Falle der Messung der anderen Größe. Wäre die Messung hinsichtlich der anderen Größe nicht zufällig, so würde dies bedeuten, dass das Quantenobjekt in der anderen Größe präpariert worden ist, was aber aufgrund der Komplementarität nicht möglich wäre.
Messung
In der Quantenphysik ist eine Messung ein aktiver Prozess. Im Sinne der klassischen Physik beschreibt eine Messung das Auffinden einer bereits bestehenden, determinierten Eigenschaft. In der Quantenphysik findet eine Messung statt, sobald das Quantensystem mit der Umgebung interagiert und somit Informationen über seinen Zustand, seine Position oder andere Eigenschaften hinterlässt. Solch eine Interaktion führt zur Aufhebung der Superposition und sofern vorhanden auch der Interferenz. In der Quantenphysik ist demnach eine Messung ein aktiver, in das System eingreifender Prozess.
No-Cloning Theorem
Das No-Cloning Theorem sagt aus, dass es nicht möglich ist den Zustand eines einzelnen Quantenobjekts zu klonen. Es ist nicht möglich eine exakte Kopie eines Quantenobjekts herzustellen, die in jeder Hinsicht mit dem Original übereinstimmt.
Phasenverschieber
Der Phasenverschieber ist eine der Komponenten, die wir in unserem Aufbau benutzt haben, um die Interferenz zu steuern. Es verschiebt die Phase eines Qubits. Mathematisch wird hierbei der Zustand 0 in sich selbst transferiert, der Zustand 1 wird um einen Phasenwinkel 
verschoben.
Polarisation
Die Polarisation ist eine Eigenschaft von Wellen und da wir Licht (und analog dazu Einzelphotonen) als Wellen beschreiben können, ist es auch eine Eigenschaft dessen. Die Polarisation beschreibt die Richtung der Wellenschwingung. Das meiste Licht, welches wir im Alltag wahrnehmen, ist unpolarisiert; es hat keine bestimmte Polarisation und besteht aus einer Superposition von unterschiedlich polarisiertem Licht. Du kannst das Licht mittels Polarisationsfilter linear polarisieren, es hat dann nur eine Polarisationsrichtung.
Präparation
Die Präparation ist ein Verfahren mit dem (Quanten-)Objekte in einen gewünschten Zustand gebracht sowie auf bestimmte Werte definiert werden. Dem (Quanten-)Objekt werden durch das Präparationsverfahren bestimmte Eigenschaften zugeschrieben, welche mittels Messungen nachgewiesen werden können.
Pseudozufallszahlengenerator
Pseudozufallszahlengeneratoren sind mathematische Algorithmen, die zufällig erscheinende Zahlen generieren. Diese Zahlen erscheinen uns zufällig, sind aber in Wirklichkeit deterministisch und basieren auf deterministischen, bestimmbaren Algorithmen. Diese Algorithmen arbeiten mit „zufälligen“ Seeds/Startwerten, die aus unterschiedlichen Quellen (Mausbewegungen, Daten, Zeit…) stammen.
Quantenzufallszahlengenerator
Quantenzufallszahlengeneratoren generieren Zufallszahlen auf Grundlage von quantenmechanischen Prozessen. Diese sind wirklich zufällig und nicht vorhersagbar oder berechenbar, weil die Quantenphysik bzw. einzelne Ereignisse innerhalb der Quantenphysik echt zufällig und indeterministisch sind.
Quantisiert
Im Kontext von Objekten bedeutet quantisiert, dass es eine diskrete und somit keine kontinuierliche Struktur hat. Am Beispiel des Begriffs „Licht“ ist vor allem dessen diskrete Natur gemeint: Licht besteht aus vielen Photonen, die diskret sind und aus Energiepaketen besteht. Diese diskrete Natur kann über das Antikoinzidenzexperiment nachgewiesen werden, da nicht gleichzeitig zwei Detektionen stattfinden.
Qubit
Das Qubit ist der Grundbaustein eines Quantencomputers. Analog zum klassischen Bit zeigt ein Qubit auch die Zustände 0 und 1. Im Gegensatz zum klassischen Bit können Qubits in Superpositionszuständen und hierbei auch gleichzeitig in den Zuständen 0 und 1 existieren.
Reflektion
Der Strahlenteiler steht in einem 45° Winkel, um auch den reflektierten Anteil des Lichts zu nutzen. Reflektion bedeutet hierbei, dass etwas zurückgeworfen wird – in unserem Falle wird Licht vom Strahlenteiler zurückgeworfen. Der Begriff hat einen lateinischen Ursprung.
Repeater
Die Aufgabe eines Repeaters ist die Verstärkung eines bestehenden Signals. Daher werden Repeater zumeist im Kommunikationsbereich eingesetzt, weil Signale ab einer bestimmten Entfernung nicht mehr stark genug sind und daher ständig verstärkt werden müssen. Im Rahmen der klassischen Physik ist dies auch möglich/machbar. Jedoch stellt in der Quantenphysik das No-Cloning Theorem eine Einschränkung dar. Quantenobjekte lassen sich nicht „einfach“ klonen oder verstärken. Aus diesem Grund ist hier ein neues Konzept erforderlich, welches im Falle der Quantenphysik auf verschränkte Photonen zurückgreift.
Strahlenteiler
Ein Strahlenteiler ist ein Gerät, welches benutzt wird um ankommende Strahlen zu teilen. Es ist häufig ein halbdurchlässiger Spiegel, welcher dazu führt, dass Strahlen reflektiert werden oder durchgehen (transmittieren). Im Rahmen der Videos und der Lernmaterialien benutzen wir meistens Strahlenteiler mit einem 50/50 Reflektions-/Transmissionsverhältnis. Es sind darüber hinaus aber auch andere Verhältnisse wie 60/40 möglich.
Superposition
Quantenobjekte können in Superpositionszuständen sein. Es ist denen dann möglich, in unterschiedlichen Zuständen zur gleichen Zeit zu existieren. Diese Zustände werden aber nicht im klassischen Sinne realisiert.
Teilchenhaft
Quantenobjekte werden teilchenhaft gemessen. Die Ergebnisse sind klar und eindeutig; das Quantenobjekt verhält sich wie ein Teilchen.
Transmission
Der Begriff „Transmission“ hat einen lateinischen Ursprung und ist in „trans“ – „durch“ und „mittere“ – „senden“ unterteilt. In diesem Kontext beschreibt es, wie Licht durch ein Objekt hindurch geht.
Wellenhaft
Quantenobjekte verhalten sich, vor allem wenn sie nicht gemessen werden, auch wie Wellen. Hier weisen sie wellenhafte Eigenschaften nach, wie bspw. das Auftreten von Interferenz.
Welle-Teilchen Dualismus
Quantenobjekte können sowohl wellenhaft als auch als teilchenhaft beschrieben werden. Ihr Verhalten hängt von deren jeweiligen Situation ab. In den meisten Fällen gilt die Faustregel, dass sie sich wellenhaft ausbreiten und teilchenhaft gemessen werden. Betrachtet man den Fall, dass das Quantenobjekt nicht gemessen wird, bedeutet dies, dass Quantenobjekte sich wie eine Welle verhalten. Sie können auch mathematisch durch eine Wellenfunktion beschrieben werden. Sobald man ein Quantenobjekt misst, weist dieses teilchenhaftes Verhalten nach mit einem eindeutigen Zustand, Ort, Impuls und weiterer Eigenschaften. Die Messung ist eindeutig und klar.
Verschränkung
Die Verschränkung ist ein interessantes Phänomen, das an Quantenobjekten beobachtet und verursacht werden kann. Verschränkte Quantenobjekte agieren nicht mehr unabhängig voneinander, sie können nicht mehr als einzelne, unkorrelierte Systeme betrachtet werden. Stattdessen können verschränkte Quantenobjekte innerhalb eines Gesamtzustands beschrieben werden. Die Messung eines Quantenobjekts hat einen direkten Einfluss auf das andere Quantenobjekt. Man beobachtet dies durch (anti-)korrelierte Messergebnisse.