Dokumentation
Quantum@Home zeigt kleine Physikexperimente im Heimformat. Es verwendet handelsübliche, kostengünstige Detektoren, die Live-Daten zu Quantenereignissen liefern. Die Detektoren sind mit dem Webserver in Bladel in den Niederlanden verbunden.
Verfügbare Experimente
Natürliche Strahlung
Die Seite Natürliche Strahlung empfängt Detektionszählungen von einem GQ GMC-300S Geigerzähler, der zur Detektion ein Geiger-Müller-Zählrohr verwendet. Wenn ionisierende Strahlung mit dem Gas im Zählrohr wechselwirkt, kann sie ein Elektron aus einem Gasatom herausschlagen. Die dadurch entstehende Ionisation löst eine Lawine weiterer Ionisationen aus und erzeugt den elektrischen Impuls, der als Detektion aufgezeichnet wird.
Live-Detektionen
Das Diagramm Live-Detektionen zeigt die neuesten 60 Ein-Sekunden-Proben. Eine niedrige Markierung an der Grundlinie steht für eine aufgezeichnete Null. Ein höherer Balken steht für eine oder mehrere Detektionen während dieser Sekunde; Werte über eins werden oberhalb des Balkens angezeigt.
Detektionsverlauf
Die erste Zeile zeigt die Zählungen in dieser Minute, in dieser Stunde und heute.
Ein als unvollständig gekennzeichneter Wert weist für diesen lokalen Zeitraum keine vollständige Abdeckung durch den Live-Detektor auf. Die Zahl ist die tatsächlich aufgezeichnete Zählung; sie ist keine Schätzung dessen, was das fehlende Intervall enthalten haben könnte.
Die zweite Zeile zeigt die durchschnittlichen Zählungen pro Tag, Woche und Monat:
- der Tagesdurchschnitt verwendet nur vollständige frühere lokale Tage;
- der Wochendurchschnitt verwendet nur vollständige Wochen von Montag bis Sonntag;
- der Monatsdurchschnitt verwendet nur vollständige Kalendermonate.
Ein Tag gilt als vollständig, wenn mindestens 99 % der erwarteten Ein-Sekunden-Live-Proben empfangen wurden. Wochen und Monate gelten nur dann als vollständig, wenn jeder enthaltene Tag vollständig ist. Der aktuelle Zeitraum und unvollständige Zeiträume werden von diesen Mittelwerten ausgeschlossen.
Das Langzeitdiagramm bietet drei Ansichten:
- die letzten 30 lokalen Tage mit einem Balken pro Tag;
- die letzten 26 lokalen Wochen mit einem Balken pro Woche von Montag bis Sonntag;
- die letzten 52 lokalen Wochen mit einem Balken pro Woche von Montag bis Sonntag.
Ein unvollständiger Balken zeigt die tatsächlich aufgezeichnete Zwischensumme. Eine abgeschwächte Markierung an der Grundlinie bedeutet, dass für diesen Zeitraum kein numerischer Messwert verfügbar ist. Eine aufgezeichnete Null und nicht verfügbare Daten werden daher nicht gleich behandelt. Unvollständige Wochensummen umfassen die verfügbaren aufgezeichneten Tage, ohne fehlende Tage zu schätzen.
Verteilung der Zählungen pro Minute
Das Verteilungsdiagramm verwendet vollständige Ein-Minuten-Intervalle aus dem gespeicherten Verlauf des Live-Detektors. Jeder Balken zeigt den Prozentsatz der vollständigen Minuten mit einer bestimmten Anzahl von Detektionen. Die Linie zeigt die anhand der beobachteten mittleren Zählrate erwartete Poisson-Verteilung.
Eine Poisson-Verteilung wird erwartet, wenn Detektionen unabhängig und mit einer annähernd konstanten mittleren Rate auftreten. Kurze Datensätze schwanken sichtbar; mit zunehmender Zahl vollständiger Minuten sollten sich die beobachteten Balken im Allgemeinen der erwarteten Kurve annähern. Unvollständige Minuten, nicht verfügbare Zeiträume, simulierte Daten und tägliche Zusammenfassungsdatensätze werden ausgeschlossen.
Über den Detektor
Wenn der Detektor live ist, zeigt die Seite seinen Standort, den Quellenstatus, das Modell, die Firmware, den Detektortyp und den vom Hersteller dokumentierten sicheren Bereich. Der angezeigte Bereich von 0–50 Zählungen pro Minute entspricht 72.000 Zählungen pro Tag. Diese Herstellerangabe dient als Kontext für diesen Detektor; sie ist keine allgemeine medizinische oder umweltbezogene Sicherheitsbewertung.
Wenn der physische Detektor nicht verfügbar ist, werden hardwarespezifische Werte als nicht verfügbar angezeigt.
Quantenzufall
Die Seite Quantenzufall enthält ein zeitlich begrenztes Verteilungsexperiment für Zufallsbytes, die von einem Crypta Labs Cicada 0.5 USB-Quantenzufallszahlengenerator erzeugt werden.
Ein Byte kann jeden ganzzahligen Wert von 0 bis 255 annehmen. Wenn die Ausgabe des QRNG gleichverteilt ist, hat jeder Wert dieselbe erwartete Häufigkeit:
1 / 256 = 0.390625%, im Diagramm als ungefähr 0.391% dargestellt.
Ein Experiment durchführen
Wählen Sie eine Dauer von 0.1, 1, 10, 30 oder 60 Sekunden und drücken Sie Start. Während das Experiment läuft, wird das Diagramm nur mit den während dieses Durchlaufs verarbeiteten Bytes aktualisiert. Drücken Sie Stopp, um es vorzeitig zu beenden. Nach Abschluss oder Abbruch bleiben das endgültige Diagramm und die Zusammenfassungswerte sichtbar, bis ein neuer Durchlauf beginnt.
Die sechs Zusammenfassungsfelder zeigen:
- die gewählte Dauer;
- die verstrichene Zeit;
- die verarbeiteten Bytes;
- den arithmetischen Mittelwert der Bytewerte;
- die Standardabweichung der 256 beobachteten Prozentsätze um den erwarteten Prozentsatz;
- den Experimentstatus.
Für einen vollkommen gleichverteilten Bytestrom beträgt der erwartete Mittelwert 127.5. Die angezeigte Standardabweichung fasst die Streuung der 256 beobachteten Klassenprozentsätze um 0.390625% zusammen. Sie wird als absolute prozentuale Differenz dargestellt; technisch wird diese Differenz in Prozentpunkten gemessen.
Verteilungsdiagramm
Das Diagramm enthält einen Balken für jeden möglichen Bytewert von 0 bis 255. Die gestrichelte Referenzlinie kennzeichnet die erwartete gleichmäßige Häufigkeit von ungefähr 0.391% pro Wert.
Kurze Experimente zeigen naturgemäß größere Unregelmäßigkeiten, weil sie weniger Bytes enthalten. Mit zunehmender Zahl verarbeiteter Bytes sollte die Verteilung gewöhnlich gleichmäßiger werden, obwohl ein wirklich zufälliges Ergebnis niemals vollkommen gleichverteilt aussehen muss.
Wenn Sie auf einen Balken zeigen, werden dessen Bytewert, Anzahl und Prozentsatz angezeigt. Balken, die den festgelegten sichtbaren Diagrammbereich überschreiten, werden oben abgeschnitten; ihre zugrunde liegenden Werte und Tooltips bleiben jedoch unverändert.
Was ist hier quantenmechanisch?
Im QRNG sendet eine kontrollierte Lichtquelle Photonen zu einem Sensor. Selbst wenn die mittlere Lichtstärke konstant ist, schwankt die genaue Zahl der während jedes sehr kurzen Abtastintervalls ausgesendeten und detektierten Photonen unvorhersagbar. Dieses Photonenschrotrauschen entsteht aus der Quantennatur des Lichts: Einzelne Emissions- und Detektionsereignisse von Photonen haben Wahrscheinlichkeiten, ihre genauen Ergebnisse können jedoch nicht vorhergesagt werden.
Der Sensor wandelt diese Schwankungen in ein elektrisches Signal um, das in Rohwerte digitalisiert wird. Das Gerät prüft, ob das gemessene Rauschen weiterhin vom Quantenprozess und nicht von gewöhnlichem elektronischem oder umweltbedingtem Rauschen dominiert wird. Die Rohdaten werden anschließend konditioniert, um Verzerrungen zu entfernen und einen gleichverteilten Strom zufälliger Bits zu erzeugen. Die Konditionierung erzeugt den Zufall nicht; der Quantenmessprozess bleibt seine Quelle.
Die resultierenden Bits werden über USB an den Computer gesendet und zu den im Experiment gezeigten Bytewerten kombiniert.
Über den QRNG
Die Seite zeigt den Standort des QRNG, den Gerätestatus, das Modell, die Firmware, die Quantenquelle und die Ausgaberate.
Gerätestatus bezieht sich ausschließlich auf die physische QRNG-Hardware. Verbunden wird nur angezeigt, wenn dieses Gerät tatsächlich erkannt und verbunden ist; andernfalls wird Nicht verbunden angezeigt. Der Status ändert sich nicht allein dadurch, dass ein Experiment gestartet oder gestoppt wird.
Wenn das physische Gerät verbunden ist, ist die Quantenquelle Photonenschrotrauschen und die angegebene Ausgaberate beträgt 500 kb/s. Nicht verfügbare hardwarespezifische Werte werden entsprechend angezeigt.
Schrödingers Katze
Die Seite Schrödingers Katze verwendet Quantenzufallsdaten des Crypta Labs Cicada 0.5 USB-QRNG, um den radioaktiven Zerfall eines einzelnen Rubidium-82-Kerns zu simulieren.
Was Sie sehen
Die Kiste enthält eine virtuelle Katze und eine simulierte radioaktive Vorrichtung, die giftiges Gas freisetzt, wenn der Kern zerfällt. Rubidium-82 hat eine Halbwertszeit von ungefähr 75 Sekunden. Solange die Kiste geschlossen bleibt, zeigt die Darstellung die sich verändernden Wahrscheinlichkeiten dafür, dass die Katze lebt oder tot ist. Nach 75 Sekunden öffnet sich die Kiste automatisch und zeigt eines dieser Ergebnisse.
Eine Halbwertszeit von 75 Sekunden bedeutet, dass ein Rubidium-82-Kern mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % innerhalb dieses Intervalls zerfällt. Sie bedeutet nicht, dass jeder Kern nach genau 75 Sekunden zerfällt. Die Zerfallszeit eines einzelnen Kerns ist unvorhersagbar, und kurze Zerfallszeiten sind wahrscheinlicher als lange.
Was ist hier quantenmechanisch?
Schrödingers Katze ist ein 1935 vorgeschlagenes Gedankenexperiment, das die seltsamen Folgen der Übertragung der Quantenmechanik von mikroskopischen Systemen auf Alltagsgegenstände verdeutlichen sollte. In der idealisierten Anordnung wird eine Katze zusammen mit einem radioaktiven Kern, einem Detektor und einem Mechanismus, der beim Zerfall des Kerns Gift freisetzt, in einer Kiste eingeschlossen. Vor der Messung beschreibt die Quantentheorie den Kern als Überlagerung aus zerfallenem und nicht zerfallenem Zustand. Da der Detektor, der Giftmechanismus und die Katze mit diesem Ereignis verbunden sind, wird das gesamte System als damit verschränkt beschrieben, bis die Kiste geöffnet und ein Ergebnis beobachtet wird.
Diese Website erzeugt keine makroskopische Quantenüberlagerung. Stattdessen liefert der QRNG Zufallsdaten, die aus Photonenschrotrauschen erzeugt werden, einem echten quantenphysikalischen Prozess. Die Software wandelt diese Daten in eine simulierte Zerfallszeit um, die demselben exponentiellen Wahrscheinlichkeitsgesetz wie radioaktiver Zerfall folgt. Zerfällt der simulierte Kern, bevor die Kiste geöffnet wird, stirbt die Katze; andernfalls bleibt sie am Leben. Der physikalische Quantenzufall ist real, während der Rubidium-82-Kern, der Zerfall, der Giftmechanismus und die Katze simuliert sind.
Über das Experiment
Die Seite zeigt den Standort und den Typ des Experiments, die Zufallsquelle, die Quantenquelle des QRNG, den simulierten Kern, seine Halbwertszeit und die Art, wie die Zerfallszeit bestimmt wird. Da kein tatsächliches radioaktives Material vorhanden ist, wird die Zerfallszeit aus dem vom QRNG gelieferten physikalischen Quantenzufall simuliert.
Zeit und Speicherung
Kalendersummen und Diagrammzeiträume verwenden die lokale Zeitzone Europe/Amsterdam. Intern können Minutenzeitstempel in UTC verbleiben, damit Messungen bei Zeitumstellungen eindeutig bleiben.
Der Live-Verlauf der natürlichen Strahlung bleibt über Neustarts der Anwendung hinweg gespeichert. Bei einer plötzlichen Unterbrechung kann ein kleiner Teil der neuesten, noch nicht gespeicherten Daten verloren gehen. Eine dadurch entstehende Lücke wird als unvollständiger Zeitraum dargestellt und nicht durch einen geschätzten Ersatzwert aufgefüllt.
Die Ergebnisse von Quantenzufallsexperimenten werden nicht als Langzeitverlauf gespeichert. Ein abgeschlossenes Diagramm bleibt während der aktuellen Browsersitzung auf der Seite sichtbar, bis ein neuer Durchlauf beginnt oder die Seite neu geladen wird.
Die Ergebnisse von Schrödingers Katze sind Simulationsergebnisse und kein Detektorverlauf; sie werden nicht in die Datensätze der Natürlichen Strahlung aufgenommen.
Sprachunterstützung
Die Website unterstützt Englisch, Niederländisch, Deutsch und Spanisch. Der Sprachumschalter in der Kopfzeile durchläuft diese Sprachen und hält den Besucher nach Möglichkeit auf derselben Seite.
Hilfeseiten
Dokumentation, Glossar, Über, Datenschutzrichtlinie und Nutzungsbedingungen werden über die gemeinsame Hilfe-Navigation bereitgestellt. Der Markdown-Inhalt wird je Sprache geladen, während das umgebende Layout gemeinsam genutzt wird.