Quantenverschränkung im Schülerlabor

Es ist nicht einmal 100 Jahre her, dass Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen in einer heute berühmten Publikation ein Problem mit der damals noch jungen Quantenmechanik aufzeigten: Diese neue Theorie sagte für zwei Quantensysteme Korrelationen voraus, die auch bei beliebig großen Entfernungen zwischen ihnen bestehen bleiben. Einstein, Podolsky und Rosen hielten eine solche Fernwirkung für unvereinbar mit sicher geglaubten Grundannahmen physikalischer Theorien und schlossen daraus, dass die quantenmechanische Beschreibung der Wirklichkeit unvollständig sein müsse. Wenig später prägte Erwin Schrödinger den Begriff der Verschränkung als Zustand solcher korrelierter Quanten.

Heute wissen wir, dass die damals vorausgesetzten Grundannahmen jedoch tatsächlich im Widerspruch zu experimentellen Ergebnissen stehen. Die Quantenverschränkung war entscheidend auf dem Weg zu dieser Erkenntnis und bietet darüber hinaus auch heute noch in zahlreichen Anwendungsgebieten große Möglichkeiten. Aktiv geforscht wird am Einsatz verschränkter Quantensysteme unter anderem im Quantencomputing, in der Quantenkryptografie und der Quantenbildgebung.

Es ist deshalb nicht allzu verwunderlich, dass die Kultusministerkonferenz in die Bildungsstandards für die Allgemeine Hochschulreife im Fach Physik das „quantenphysikalische Weltbild hinsichtlich der Begriffe Realität, Lokalität, Kausalität, Determinismus" als verbindlichen Inhalt aufgenommen hat. Das Phänomen der Quantenverschränkung als Zugang dazu wird somit auch für den Schulunterricht höchst relevant.

In dieser Arbeit entwickeln wir ein Schülerlabor, dessen Ziel es ist, Schülerinnen und Schülern einen Zugang zum Wesenszug der Quantenverschränkung zu bieten. Dafür werden Experimente mit verschränkten Photonen anschaulich mit unterschiedlichen Modell- und Analogversuchen nachgestellt. Darüber hinaus wird es möglich sein, die Modellbetrachtungen mithilfe eines Realexperiments zu überprüfen. Auch die theoretische Physik findet ihre Repräsentation: Den Lernenden wird es möglich sein, die CHSH-Ungleichung zu beweisen, ein prominentes Theorem zur Überprüfung des lokalen Realismus in der Quantenmechanik.