MiReQu – innovative Experimente für Laborpraktika

Zentrales Anliegen von MiReQu ist es, die entwickelten Mixed-Reality Experimente und die zugehörigen Lehr-Lernkonzepte auch anderen Standorten zugänglich zu machen und so standortübergreifende Forschung und Weiterentwicklung anzustoßen. Aktuell setzen die folgenden Hochschulen die MiReQu-Experimente in der Lehre ein und beteiligen sich an Forschungskooperationen:

• WWU Münster
• Heidelberg
• Paderborn

Aktuelle Experimente

Quantenkryptographie

Das Quantenobjekt Photon kann genutzt werden, um abhörsicher Schlüssel zur Nachrichtenverschlüsselung zu erzeugen und zu übertragen. Solche quantenoptischen Verfahren gewinnen durch aktuelle technische Entwicklungen zunehmend an Bedeutung. Im MiReQu-Experiment zum Quantenschlüsselaustausch werden mittels spontaner parametrischer Fluoreszenz polarisationsverschränkte Photonenpaare erzeugt, die zum Quantenschlüsselaustausch verwendet werden können. In den Experimenten lernen die Lernenden Schritt für Schritt das Ekert-91-Verfahren für den Quantenschlüsselaustausch kennen. Mithilfe der Mixed-Reality-Anwendung schlüpfen sie in die Rollen von Alice und Bob und führen Polarisationsmessungen an einzelnen Qubits durch.

Die Anwendung ermöglicht ihnen dabei die Visualisierung von Korrelationen zwischen ihren Messergebnissen auf Ebene von Zählraten und einzelnen Bitfolgen. Auch die Messung der Bell'schen Ungleichung ist möglich und wird durch geeignete Visualisierungen veranschaulicht. Ist es den Lernenden gelungen, einen sicheren Schlüssel zu generieren ermöglicht die Anwendung zudem das Senden von Nachrichten, die mit dem Schlüssel Ver- und entschlüsselt werden können.

Polarisationsverschänkung

Verschränkung ist ein grundlegender Wesenszug der Quantenhysik, der konzeptionell nicht mit der klassischen Vorstellung über die Welt vereinbar ist. Die fundamentalen Unterschiede zwischen beiden Weltbildern führen zu experimentell messbaren Konsequenzen. Das MiReQu-Experiment zur Quantenverschänkung nutzt eine Quelle für verschränkte Photonenpaare, die auf dem Prinzip der spontanen parametrischen Fluoreszenz beruht. Durch Messung der Polarisationskorrelation zwischen den Photonen eines Paares lässt sich auf einfache Weise die Bell'sche Ungleichung überprüfen und so der nicht-klassische Charakter des erzeugten Zustandes nachweisen.

Die zugehörige Mixed-Reality-Umgebung bietet Lernenden Hilfe beim Messen der notwendigen Korrelationsfunktionen, indem sie schrittweise durch die vorzunehmenden Messeinstellungen führt und die erhaltenen Korrelationen anhand der aufgenommenen Koinzidenzzählraten visualisiert. Der zugrundeliegende Superpositionszustand des Photonenpaares kann zudem in verschiedenen Messbasen visuell dargestellt werden.

Klassische Polarisation: Gesetz von Malus und optische Komponenten

MiReQu soll auch Lernenden ohne besondere Vorerfahrung im Bereich der Quantenoptik den Einstieg in komplexe Experimente ermöglichen, ohne sie zu überfordern. Um Grundkenntnisse über Polarisation als physikalische Eigenschaft von Licht zu vermitteln und Lernende mit häufig verwendeten optischen Komponenten vertraut zu machen, wurden daher auch Einstiegsversuche mit klassischem Licht entwickelt, in dem die Lernenden anhand von Visualisierungen eines Vektormodells ein räumliches Verständnis von Polarisation entwickeln können. Es können zudem verschiedene optische Komponenten wie Polarisationsfilter, Verzögerungsplättchen und polarisierende Strahlteiler untersucht werden, indem direkt in der Mixed-Reality-Umgebung Messdaten zur Intensität aufgenommen und visualisiert werden.

Die Versuche können sowohl als Einstieg in die Bedienung der Mixed-Reality-Umgebung und die komplexeren Quantenversuche genutzt, als auch unabhängig als separater Praktikumsversuch eingesetzt werden.

Was wird zur Umsetzung benötigt?

Aufbau des Experiments

Alle Experimente bestehen aus Standard-Komponenten, die auch regulär in Optik-Laboren verwendet werden. Eine detaillierte Teileliste für die einzelnen Experimente stellen wir gern auf Anfrage zur Verfügung.

Mixed-Reality-Headsets

Die Mixed-Reality-Experimente wurden für die Microsoft HoloLens 2 entwickelt und optimiert. Durch die Verwendung des immersiven Headsets haben die Lernenden beide Hände frei für ungestörtes Experimentieren.

Messwerterfassung

Mithilfe von günstigen Zusatzkomponenten aus dem 3D-Drucker kann die Drehung von optischen Komponenten im Aufbau erfasst werden. Als Schnittstellen dienen ein günstiger Arduino-Microcontroller und ein PC, von dem aus die Daten per WLAN an die HoloLens übertragen werden. Gerne stellen wir auf Anfrage die Modelle der für die Umsetzung benötigten 3D-gedruckten Komponenten und eine Dokumentation zur Implementierung der Messwerterfassung bereit.

Software

Sämtliche für das Projekt entwickelte Software ist auf der Download-Seite verfügbar.

Die Software besteht aus drei Komponenten:

• App-Package zur Installation auf der HoloLens
• Python-Skript zur Messwerterfassung
• Code zur Programmierung des Microcontrollers

Ansprechpartner