Quantenphysik: Koinzidenz - Präparation eines einzelnen Photons
Physik am Friedrich-Gymnasium Freiburg
https://www.youtube.com/watch?v=TLc7_czd01M

Transkript (automatisch erstellt)

0:01 hallo in diesem Video erkläre ich für den Physikunterricht in der Kursstufe wie man ein einzelnes Photon mit der konsistenzmethode präpariert
0:11 zunächst die Frage was ist an einzelnes Foto dazu zeige ich die Photonen Statistik die photonenstatistik sagt aus wie viel Photonen einem einzelnen
0:21 Lichtpuls vorhanden sind auf der X-Achse ist die photonenzahl dargestellt also null Photonen ein Photon 2 3 4 und auf der Y-Achse die Wahrscheinlichkeit von
0:33 einem einzelnen Photon spreche ich wenn ich in jedem Lichtpuls mit einer Wahrscheinlichkeit von 100% ein einzelnes Photon habe das heißt ich
0:43 möchte eine Lichtquelle die mir genau diese Statistik liefert und damit kann ich dann Experimente mit einzelnen Photonen
0:52 durchführen ganz oft nimmt man an dass man zum Beispiel einen Laserpointer der einzelnen Lichtimpulse aussendet ganz
1:01 stark abschwächt und durch die Abschwächung findet man ganz viele Photonen raus und am Ende hat man ein einzelnes Photon übrig das schauen wir
1:10 uns jetzt mal mit einer Messung der photonenstatistik an und das ganze sieht mit einem starken Filter so aus dass ich mit einer großen Wahrscheinlichkeit
1:20 überhaupt kein Foto mehr in diesem Lichtpuls drin habe ein einzelnes Foto mit einer Wahrscheinlichkeit von 30%, aber ich habe auch zwei drei und vier
1:29 Photonen in diesem Lichtpuls enthalten jetzt füge ich einfach noch einen weiteren Filter hinzu man kann erkennen dass ich jetzt ganz oft gar kein Foto
1:40 haben aber auch ab und zu mal ein einzelnes aber auch zwei Photonen das ist eine sogenannte Posse Statistik und die Statistik bleibt auch beim
1:49 abschwächen erhalten noch ein Filter das sieht das ganze so aus man erkennt jetzt deutlich ich habe ganz oft überhaupt kein Foto enthalten und ab
1:59 und zu ein Foto tun aber mit dieser Statistik kann ich nicht experimentieren also mit dieser Lichtquelle ich brauche ein Lichtquelle die mir genau das hier
2:08 liefern nämlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 100% ein einzelnes Foto und pro Lichtpult
2:16 es gibt Experimente sagen wir messen einzelne Photonen und die machen einfach folgendes die haben einen gepolsten Laser leiten den über zwei Spiegel über
2:26 einen Abschwächung machen dann hier ein Doppelspaltexperiment und am Ende steht ein sogenannter einzelphoton Detektor das ist eine LPD aber Lounge Foto diet
2:37 und diese macht nichts anderes als Klick und über dieses Klee kann ich sagen da war etwas nur das Problem ist von diesem Detektor er hat ein sehr hohes dunkel
2:48 Rauschen das bedeutet er macht im komplett dunklen Raum ganz oft Klick obwohl er überhaupt nichts war er ist fast blind also wenn ein
2:58 einzelnes Foto ankommt dann detektiert dieser Detektor dieses einzelne Photon nur mit einer Wahrscheinlichkeit von ca 40
3:07 %. und dieser Detektor kann auch nicht unterscheiden wie intensiv ist das Licht das heißt kommen da in einem Lichtpuls ein zwei drei oder vier Photonen an das
3:19 meint ein Klick von diesem Detektor ist alles mögliche nur nicht ein einzelnes Photon somit haben wir hier kein Quanten Experiment das ist die semik klassische
3:29 Theorie das heißt das Licht kann ich als klassische elektromagnetische Welle behandeln und in Detektor als Quantensystem das ganze hat mir schon
3:37 beim Foto Effekt auf dem Foto Effekt kann ich ohne die Quanten Natur des Lichts über eine klassische elektromagnetische Welle erklären
3:46 jetzt wenn ich einen Trick an ich erzeuge in einem Kristall das ist dieser Kristall gleichzeitig zwei Photonen man nennt diesen Prozess permetik down
3:58 conversion ich pumpe hier diesen Kristall mit einem geputzten Laser und mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit werden hier immer zwei Photonen imitiert
4:07 über die Energie Erhaltung die alles im Photonen den schräg Weg treffen auf den eine Detektor und das andere Photon trifft auf diesen Detektoren
4:19 Ereignisse werden gelöscht das heißt ich erzeuge hier ein Laserpuls dann hier zwei einzelne Photonen und bei diesem Puls zeigt keine Detektor etwas
4:30 an dieses Ereignis wird gelöscht einzelne Ereignisse lösche ich genauso das bedeutet wenn dieser Detektor etwas detektiert und der nicht dann könnte es
4:39 sein dass da zwar ein einzelnes Photon war der hat ihn nicht gesehen oder der hatte einfach ein dunkel Rausch Ereignis ich werde dieses Experiment nur dann aus
4:50 wenn wirklich beide Direktoren gleichzeitig in einem Zeitfenster von zwei Nanosekunden etwas detektieren und das ist die konsistenzmethode und dann
5:00 weiß ich dass ich hier ein einzelnes Photon habe als nächsten Schritt füge ich in diesen einen armexperimente ein wieder Doppelspalt ein strahltaler
5:11 Würfel oder anderes und ich werde das Experiment immer nur dann aus wenn auf beiden Seiten gleichzeitig eine kurze Dance stattfindet die Frage ist es ein
5:22 Foto also ist es ein teilbares Quantenobjekt dazu lasse ich das Photon einfach auf einen strahltaler Würfel hier wird das Photon entweder
5:31 transmittiert oder reflektiert und ist Experiment zieht jetzt so aus ich habe auf der rechten Seite mein Trigger Detektor also die konsistenzmethoden auf
5:41 der linken Seite mein reflektierten Pfad nach dem strahltalent transmittierten Pfad und ich werde das Experiment nur dann aus wenn auf beiden Seiten etwas
5:51 gleichzeitig detektiert wird wenn es an einzelnes Foto ist ein unteilbare Portion dann detektieren nur die beiden gemeinsam etwas oder nur die beiden und
6:04 niemals alle drei Detektoren zusammen weil sonst würde sich das Foto ja aufteilen die Argumentation für die Schule für den
6:13 Unterricht die lichtportion teilt sich hier nicht während der Koinzidenz das bedeutet ich habe ein Foto die richtigen Physiker die wollen natürlich hier Werte
6:23 sehen und ein Wert ist die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung die unterscheidet sich je nach Art des Lichts und in diesem Experiment wurde
6:32 gemessen eine Korrelationsfunktion zweiter Ordnung nahe dem Wert 0 also viel kleiner als eins das bedeutet auch für die fachflüssiger ich habe es hier
6:41 wirklich mit einzelnen Photonen zu tun jetzt haben wir genug Theorie gemacht wir gehen jetzt ins Quanten Optik Labor und manchmal live solche Experimente
6:50 naja live geht es leider nicht aber die Universität Erlangen Nürnberg hat das Quantum Lab erschaffen dort kann ich virtuell ein Experiment bedienen über
7:01 eine Animation sozusagen und das wurde wirklich durchgeführt mit einem realen Daten wir machen jetzt drei Experimente erstens wir brauchen ein Experiment auf
7:10 dann zeige ich das kontinentsexperiment und schließlich führen wir das Experiment am strahltaler durch zunächst möchte ich zeigen wie man einen
7:19 Experiment aufbaut dazu blende ich dir die Erklärung ein ich werde jetzt relativ schnell durchgehen wenn es zu schnell geht der stoppt das Video und
7:28 kann die Erklärung durchlesen ich habe hier ein optischen Tisch und nun baue ich ein Polarisator auf für den blauen Laser
7:39 dieser wird über zwei Spiegel durch zwei Iriden geleitet die ihr reden brauche ich zur genauen Justage dann kommt ein Weg Simulator rein der simuliert mir die
7:50 zwei Wege der Photonen schließlich baue ich den ersten Detektor auf und Blende hier rotes Licht von
8:00 hinten ein um wieder den Weg über zwei Spiegel exakt zu justieren dann kommt der zweite Detektor auch hier verwende ich den Trick mit dem roten
8:11 Licht von hinten sozusagen um den Weg optimal zu justieren und ganz am Ende baue ich diesen Kristall ein perlmetrie down conversion und dann kann mein
8:23 Experiment starten das hier ist das kitzelt Strahlengangs als sieht man nicht real der blaue Laser und die Abstrahlung der beiden einzelnen
8:32 Photonen im zweiten Experiment möchte ich die konsequenzmethode live zeigen dazu blende ich zunächst den virtuellen Strahlengang ein und ich erzeuge über
8:43 den Button hier und blaue Laserpulse die diesen kristallpumpen und hier entsteht mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zwei
8:52 einzelne Photonen ich kann erkennen wenn ich hier drauf drücke auf blaue einzelpult ganz oft wird überhaupt nichts diktiert manchmal blinkt auch nur
9:02 eine Detektor und manchmal blinken beide Direktoren auch zusammen wenn zusammen blinken dann ist es eine kronesidenz das heißt innerhalb eines Zeitfensters von
9:11 zwei Nanosekunden hat jeder Detektor ein Proton registriert der Trick ist nun ich halte hier Laserpulse bis zur Konsistenz an nun
9:23 drücke ich hier drauf und es werden so lange blaue einzelpulse erzeugt bis ich eine konsistenzmesse und dann stoppt das Experiment das bedeutet bei jedem
9:34 Drücken habe ich nun eine Konsistenz das heißt ich habe hier einzelne Photonen präpariert nun kann ich zum Beispiel auf der Seite von Alice den Detektor
9:44 wegmachen und kann ja ein Doppelspalt hinstellen ein strahltaler und werde das Experiment dann immer nur aus wenn ich ein Konsistenz Ereignis habe
9:55 im dritten und letzten Experiment zeige ich die Unteilbarkeit einzelner Photonen dazu blende ich den Strahlengang ein ich erkenne ich habe nur noch ein Teil des
10:08 Experimentes hier dargestellt nämlich den Teil von Bob hier habe ich ein strahltaler Würfel das Foto wird entweder transmitiert geht in Sektor mit
10:16 dem roten Licht oder der reflektiert und geht in den Detektor mit dem grünen Licht auf der linken Seite des optischen Tisches habe ich die Seite von Alice mit
10:26 dem Trigger Detektor und den Pumpe Kristall ich kann nun eine einzelne Messung durchführen und ich erkenne es blinkt entweder der rote oder der grüne
10:37 Detektor niemals blinken beide Detektoren gleichzeitig das bedeutet mein Foto ist ein unheilbares Quantenobjekt
10:47 was ich hier auch noch feststellen kann dass es absolut zufällig welcher Detektor etwas registriert das ist der Quanten Zufall