QBox – Lernpfad (Quantenoptik & Interferometrie)

Status: Skeleton. Quelle: qbox.md. Voraussetzung: keine (eigenständig). Optional kombinierbar mit der CoreBox.

Die QBox ist das eigenständige Set für Wellen- und Quantenoptik: kinetische Spiegel, polarisations­optische Bauteile, ein 520 nm-Laser, ein ESP32-S3 mit Mikrowellen­anbindung und Mikrodiamanten für ODMR. Sie deckt ein breites Spektrum von der klassischen Interferometrie bis zu BB84 und ODMR ab.

Lernpfad

Polarisation ─► Doppelspalt / Gitter ─► Michelson-Interferometer
                                                │
                                                ▼
                          Mach-Zehnder ─► Quantenradierer ─► BB84
                                                │
                                                ▼
                                              ODMR (NV-Zentren)

Experimente

1. Polarisation – Grundlagen

Einstieg / Phänomen

• Was siehst du, wenn du zwei Polarisationsfilter hintereinander hältst und einen davon drehst?
• Warum wird das Bild durch eine Sonnenbrille mit Polarisationsfilter bei schräger Draufsicht auf Wasser dunkler?

Messung / Quantifizierung

• Miss die Intensität als Funktion des Drehwinkels θ und überprüfe das Malus-Gesetz $I = I_0 \cos^2(\theta)$.
• Wie bestimmst du den Extinktionsgrad (Verhältnis maximaler zu minimaler Transmission) des Filters?

Variation

• Was passiert, wenn du eine Zuckerlösung zwischen zwei Polarisatoren stellst – und warum dreht sie die Polarisationsebene?
• Wie verhält sich eine Glasscheibe bei Brewster-Winkel (Reflexionspolarisation)?

Fehleranalyse

• Warum ist die Intensität bei 90° nicht exakt Null (Streulicht, unvollkommener Filter)?

Physikalischer Hintergrund

• Was ist lineare, zirkulare und elliptische Polarisation, und wie beschreibt der Stokes-Vektor den Zustand?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Erkläre, wie ein 3D-Kino-Brillen-System auf Polarisation basiert.

• Sek II / Vertiefung: Miss mit dem Malus-Gesetz drei Daten­punkte und berechne $\chi^2$ für das Modell.

• → experiments/01_polarisation.md

2. Doppelspalt- und Gitter-Experiment

Einstieg / Phänomen

• Was siehst du auf dem Schirm hinter einem Einfachspalt, einem Doppelspalt, einem Gitter – und warum werden die Maxima schmaler?
• Welche Farben siehst du mit weißem Licht am Gitter, und warum?

Messung / Quantifizierung

• Miss den Abstand der Hauptmaxima und berechne den Spaltabstand $d$ aus $d \sin\theta = m\lambda$.
• Wie hängen Spaltabstand, Wellenlänge und Schirm-Abstand zusammen?

Variation

• Wie ändert sich das Muster, wenn du einen breiteren oder schmaleren Spalt einsetzt?
• Was siehst du, wenn du den Spalt mit einem Polarisationsfilter kombinierst?

Fehleranalyse

• Warum erscheinen die Maxima bei großem Schirmabstand unschärfer (Kohärenzlänge des Lasers)?

Physikalischer Hintergrund

• Welches Modell erklärt das Doppelspaltmuster: Huygens-Fresnel-Prinzip, Superposition zweier Kugelwellen?
• Warum erfordert dieses Experiment einen Modellwechsel von Strahlen- zu Wellenoptik?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek I: Berechne den Spaltabstand einer CD (bekannte Wellenlänge und Beobachtungswinkel).

• Sek II / Vertiefung: Was ändert sich im Doppelspaltmuster, wenn ein Photon das System durchläuft (Quantenmechanik)?

• → experiments/02_doppelspalt.md

3. Michelson-Interferometer

Einstieg / Phänomen

• Was siehst du auf dem Schirm, wenn du einen Arm des Interferometers mit dem Finger berührst – und warum bewegen sich die Ringe?
• Was passiert mit dem Muster, wenn du eine Glasscheibe in einen Arm einbringst?

Aufbau

• In welcher Reihenfolge richtest du Laser, Strahlteiler, zwei Spiegel und Schirm aus?
• Wie feinjustierst du einen der kinetischen Spiegel, bis du konzentrische Ringe siehst?

Messung / Quantifizierung

• Miss die Wellenlänge des Lasers: Zähle die vorbeiziehenden Maxima bei bekannter Armlängenänderung.
• Wie berechnet sich der Gangunterschied $\Delta = 2\Delta L$ und das zugehörige Muster?

Variation

• Was siehst du, wenn du die Kohärenzlänge des Lasers überschreitest (sehr verschiedene Armlängen)?

Fehleranalyse

• Was tust du, wenn das Muster „wandert" (thermische Drift, Vibrationen)?
• Wie erkennst du, dass Spiegel nicht plan sind (verbogene Ringe)?

Physikalischer Hintergrund

• Wie erklärt die Zwei-Strahl-Interferenz das Muster: $I = I_0(1 + \cos(k\Delta))$?
• Wie wurde das Michelson-Morley-Experiment genutzt, um den Äther zu falsifizieren?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek II / Vertiefung: Wie funktioniert ein Laser-Interferometer in LIGO für Gravitationswellen-Detektion?

• → experiments/03_michelson.md

4. Mach-Zehnder-Interferometer

Einstieg / Phänomen

• Warum teilt das Mach-Zehnder den Strahl in zwei räumlich getrennte Wege – was ist der Vorteil gegenüber Michelson?
• Was siehst du im Ausgangspfad, wenn beide Wege exakt gleich lang sind?

Aufbau

• Welche Cubes brauchst du: zwei Strahlteiler, zwei Spiegel, und wie ordnest du sie an?
• Wie justierst du die Ausgänge so, dass du ein Streifenmuster siehst?

Messung / Quantifizierung

• Wie verändert sich das Muster, wenn du ein transparentes Objekt (Deckglas, Prüfglas) in einen Arm bringst?
• Wie quantifizierst du die Phasenverschiebung aus dem Streifen-Versatz?

Variation

• Wie wirkt ein schief gestellter Strahlteiler auf das Muster (Verkippungsfehler)?

Physikalischer Hintergrund

• Was ist der Unterschied zwischen Amplituden- und Phasen-Objekt, und warum sieht man Letzeres im Hellfeld kaum?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek II / Vertiefung: Wie wird Mach-Zehnder in der optischen Kohärenztomographie (OCT) und in photonischen Chips für schnelle Datenkommunikation eingesetzt?

• → experiments/04_mach_zehnder.md

5. Quantenradierer

Einstieg / Phänomen

• Was passiert mit dem Interferenzmuster am Doppelspalt, wenn du jedem Spalt eine orthogonale Polarisation zuordnest?
• Was passiert, wenn du anschließend einen dritten Polarisator bei 45° davor stellst – und warum kehrt das Muster zurück?

Aufbau

• Wie kombinierst du Doppelspalt, polarisierende Folien und Analyser-Polarisator in einem Aufbau?
• Wie überzeugst du dich, dass die Polarisationen wirklich orthogonal sind (gekreuzte Filter, kein Durchgang)?

Messung / Quantifizierung

• Wie ändert sich die Sichtbarkeit (Visibility) $V = (I_\text{max} - I_\text{min})/(I_\text{max} + I_\text{min})$ mit und ohne Welcher-Weg-Markierung?

Fehleranalyse

• Warum ist das Muster auch ohne Markierung nicht perfekt (Kohärenz, Detektorlimit)?

Physikalischer Hintergrund

• Was ist „Welcher-Weg"-Information im quantenmechanischen Sinne, und warum hebt sie die Kohärenz auf (Komplementaritätsprinzip)?
• Wie erklärt der Dichte-Matrix-Formalismus den Übergang von kohärentem zu gemischtem Zustand?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek II / Vertiefung: Formuliere das Experiment im Bra-Ket-Formalismus und zeige, warum das Spurieren über den Weg-Freiheitsgrad die Interferenz löscht.

• → experiments/05_quantenradierer.md

6. Polarisations-Strahlteiler & Cube-Setup

Einstieg / Phänomen

• Was siehst du an den zwei Ausgängen eines PBS mit linear polarisiertem Eingangsstrahl bei 0°, 45°, 90°?
• Wie verhält sich das Intensitätsverhältnis der zwei Ausgänge als Funktion des Eingangspolarisationswinkels?

Aufbau

• Wie montierst du den PBS-Cube und richtest den Eingangsstrahl auf die Teilerfläche aus?
• Wie kombinierst du PBS mit einem λ/2-Plättchen, um die Intensitätsaufteilung kontinuierlich einzustellen?

Messung / Quantifizierung

• Miss das Intensitätsverhältnis der zwei Ausgänge als Funktion des λ/2-Winkels.

Variation

• Was passiert, wenn du zirkulär polarisiertes Licht (λ/4) in den PBS einstrahlst?

Physikalischer Hintergrund

• Welche Symbole und Diagramme nutzen Quantenoptiker für Zustände und Operationen (Bloch-Kugel, Ket-Notation)?
• Wie funktioniert das PBS-Prinzip auf Basis von Dünnschicht-Beschichtungen?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek II / Vertiefung: Wie nutzt man PBS + λ/2 + λ/4 als Variables Beam-Splitter-Ratio-Element in Experimenten zur Quantenkommunikation?

• → experiments/06_pbs.md

7. BB84 – Quantenkryptographie (Demo)

Einstieg / Phänomen

• Wie kannst du mit Polarisationszuständen eine „1" und eine „0" kodieren – ohne dass ein Lauscher es sicher lesen kann?
• Was passiert mit dem Schlüssel, wenn ein Lauscher (Eve) jeden Photonenzustand misst?

Aufbau

• Welche Komponenten spielen Alice, Bob und Eve in deinem Aufbau (Laser, Polarisatoren, PBS, Detektoren)?
• Wie simulierst du zufällige Basiswahl (Würfel, Zufallsgenerator, Schaltlogik)?

Messung / Quantifizierung

• Wie groß ist die Fehlerrate (QBER = Quantum Bit Error Rate) ohne und mit aktivem Lauscher?
• Ab welchem QBER-Wert würde Alice und Bob abbrecchen (typisch > 11 %)?

Physikalischer Hintergrund

• Warum kann ein Quantenzustand nicht ohne Störung geklont werden (No-Cloning-Theorem)?
• Welche Schritte des BB84-Protokolls führen von zufälligen Messergebnissen zu einem sicheren Schlüssel (Sifting, Error-Correction, Privacy Amplification)?

Fehleranalyse

• Welche nicht-idealen Effekte (Polfilter-Crosstalk, Quellenrauschen) erhöhen den QBER auch ohne Lauscher?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek II / Vertiefung: Berechne theoretisch die maximale sichere Schlüsselrate für eine 11 %-QBER-Linie.

• Erweiterung: Was ist QKD mit Glasfaser vs. Free-Space, und welche kommerziellen Produkte gibt es (ID Quantique, Toshiba)?

• → experiments/07_bb84.md

8. ODMR – Optisch detektierte Magnetresonanz (NV-Zentren)

Einstieg / Phänomen

• Was passiert mit der Fluoreszenz-Helligkeit des NV-Zentrums, wenn du Mikrowellen einstrahlen – und warum ändert sie sich?
• Wie sieht das ODMR-Spektrum (Fluoreszenz vs. Mikrowellenfrequenz) ohne externes Magnetfeld aus?

Aufbau

• Wie positionierst du den Mikrodiamond unter dem 520-nm-Laser und stellst die Mikrowellen-Antenne des ESP32-S3 dazu?
• Wie konfigurierst du den ESP32-S3 für einen Frequenz-Sweep (Start, Stop, Schritte) und die Fluoreszenz-Detektion?

Messung / Quantifizierung

• Miss die Resonanzfrequenz (ca. 2.87 GHz ohne Feld) und die Zeeman-Aufspaltung mit einem externen Magneten.
• Wie berechnet man die Magnetfeldstärke aus der Aufspaltung $\Delta f = 2 g_e \mu_B B / h$?

Variation

• Wie ändert sich die Aufspaltung, wenn du den Magneten näher oder weiter weg hältst?
• Was siehst du, wenn du zwei Magnete mit verschiedener Orientierung nutzt?

Fehleranalyse

• Was tust du, wenn das ODMR-Signal sehr schwach ist (falsche Fokus-Position, Diamant verschoben)?
• Wie unterscheidest du ODMR-Signal von Rauschen (Mittelwert mehrerer Scans)?

Physikalischer Hintergrund

• Was ist ein NV-Zentrum: Defektstruktur, Spin-Triplett-Grundzustand, ISC (Intersystem Crossing)?
• Wie erklärt der Spin-abhängige Zerfallspfad, warum Spinresonanz die Fluoreszenzintensität ändert?

Alltagsbezug / Differenzierung

• Sek II / Vertiefung: NV-Zentren als Quanten-Sensor – wie werden sie für Nano-MRT und Magnetfeld-Kartierung in Biologie eingesetzt?

• → experiments/08_odmr.md

Cube-Module / Komponenten

Modul	Kurzbeschreibung	Datei
Kinetischer Spiegel 45°/90° (×2)	Justierbarer Strahlweg	modules/kinetic_mirror.md
Fester Spiegel 45°/90°	Strahlumlenkung	modules/mirror_fixed.md
16 mm Linse	Kurzbrennweite, Strahlformung	modules/lens_16.md
28 mm Linse	Strahlformung	modules/lens_28.md
Polarisations­filter, drehbar (×4)	Polarisations­experimente	modules/polarizer.md
Polarisations-Strahlteiler (×2)	Strahlteilung nach Polarisation	modules/pbs.md
Dichroit-Halter	Halterung für Dichroit	modules/dichroic_holder.md
Laser 520 nm (Cube)	Kohärente Lichtquelle	modules/laser_520.md
Magnet	ODMR – Magnetfeld	modules/magnet.md
Einzelspalt	Beugung	modules/single_slit.md
Doppelspalt	Interferenz	modules/double_slit.md
XYZ-Stage	Diamant-Justage	modules/xyz_stage_diamond.md
ESP32-S3 (Mikrowelle, Steuerung)	Elektronik	modules/esp32_s3_qbox.md
Solid Baseplate 4×5	Mechanische Basis	modules/solid_baseplate_4x5_q.md

Didaktische Anker

• Sichtbarer Übergang Strahlen- → Wellen- → Quantenoptik.
• Konkretes Erleben von „nicht-klassischen" Phänomenen (Quantenradierer, BB84).
• Brücke Physik ↔ Informatik ↔ Materialwissenschaft (NV-Zentren).

Offene Fragen / TODO

• Klare Lasersicherheits-Sektion (520 nm Klasse, Brille, Beschilderung).
• Workflow-Diagramm für Mikrowellen-Kalibrierung des ESP32-S3.
• Mathematischer Anhang (Malus, Beugungsformel, Visibility, BB84-Schlüsselrate).