Am Montag, den 16. Januar 2023 haben wir Schüler*innen aus dem Physik-LK von Herrn Weh und dem Informatik-Kurs von Herrn Danisch von der dritten bis zur neunten Stunde an insgesamt drei Workshops der Technischen Universität Braunschweig teilgenommen, die von zwei Doktoranden im Rahmen MasterClass für moderne Physik geleitet wurden. Diese jeweils zweistündigen MasterClasses setzten sich aus einer Präsentation und aus Schülerversuchen in kleinen Gruppen zusammen. Thematisch bezogen sich diese Vorträge auf den Unterrichtsstoff, der in den Kursen von Relevanz war. Von der Problematik des Urkilogramms über Quantenphysik bis hin zur Kryptologie wurden einige uns zumindest zum Teil bekannte Themenbereiche angesprochen und mit Praxisaufgaben verknüpft.
Der erste Workshop drehte sich um die sogenannte Kibble-Waage und die Definition des Kilogramms. Bis 2019 orientierte sich diese noch am Urkilogramm in Frankreich. Das Problem hierbei war jedoch, dass sich dieses Urkilogramm über die vielen Jahre veränderte – es verlor Masse – und nebenbei auch nicht wirklich zugänglich für jede beliebige Messung ist. Um das Kilogramm also neu zu definieren, wurde die Kibble-Waage entwickelt. Der Workshop startete mit einer kurzen Einführung der physikalischen Grundlagen Induktion, Lorentzkraft und Magnetfeldern, was uns bereits bekannt vorkam. Die Waage funktioniert nach diesen Prinzipien und soll anschließend in einem Experiment in kleinen Gruppen verwendet werden. Dazu mussten zunächst verschiedene Einstellungen zur Kalibrierung vorgenommen werden, die zudem ein Computerprogramm und wenige Rechnungen benötigten. Schließlich konnten wir mit der kalibrierten Waage einen Lego-Stein präzise wiegen und unsere Ergebnisse vergleichen.
Im zweiten Workshop haben wir uns mit dem Quantencomputing beschäftigt. Hierbei wurde uns zunächst die Funktionsweise eines Quantencomputers erklärt, wobei sich herausstellte, dass sich diese Computer die Quantenmechaniken wie zum Beispiel die sogenannte Verschränkung oder die Superposition von Teilchen zu Nutzen machen. Um dies in der Praxis besser nachvollziehen zu können, hatten wir die Möglichkeit, in einer Simulation einige Logigschaltungen zu bearbeiten. Dadurch konnten wir nachvollziehen, welche technischen Vorteile ein Quantencomputer bieten kann und nach welchem Prinzip die Zustandsmessung von Quantenobjekten abläuft. Nachdem die Grundlagen der Quantenphysik also klar wurden, konnten wir diese Prinzipien anschließend in einem modifizierten Tic-Tac-Toe-Spiel anwenden: Bei diesem war es möglich, die Position der Zeichen miteinander zu verschränken oder sie in eine Superposition zu bringen, wodurch das Spiel beeinflusst und dadurch anspruchsvoller wurde. Anders als beim Original entschied hier oftmals der Zufall, wer von uns gewann.
Zuletzt erfuhren wir im dritten Workshop etwas über ein Verschlüsselungsverfahren namens „BB84-Protokoll“. Der Workshop zur Quantenkryptographie sollte uns helfen, zu verstehen, wie Nachrichten mithilfe der Quantenphysik abhörsicher versendet und empfangen werden können. Die Grundlagen der Polarisation von Licht und von Zufallsverfahren nach Quantenprinzipien wurden hier erneut in einer Präsentation erläutert und anschließend in einem Versuch veranschaulicht. Dabei haben wir einen Laser und andere optische Bauteile benutzt, um sichere Schlüssel für die Kodierung der Nachrichten zu generieren und zu übertragen. Im ganzen Versuch werden nicht nur Empfänger und Sender von uns simuliert, sondern auch jemand, der versucht, die Nachricht abzufangen. Wie sicher dieses Verfahren im Endeffekt ist, galt es praktisch herauszufinden.
Der starke Bezug zu physikalischen Fragestellungen und Themen aus der Informatik bot uns die Möglichkeit, unseren aktuellen Wissensstand aus der Schule zu nutzen, zu erweitern und in spannenden Praxisaufgaben anzuwenden. Dabei wurde auch immer wieder deutlich, wie relevant solche spezifischen Themen im „echten“ Leben sein können.
Melvin Schneider, Jg.13
