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Quantenspalt aus einem Atom: Physiker schließen Lücke im Einstein-Bohr-Streit
Fast ein Jahrhundert nach der legendären Debatte zwischen Albert Einstein und Niels Bohr hat ein Team um Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China das berühmte „recoiling-slit“-Gedankenexperiment in einer besonders originalgetreuen Form ins Labor gebracht. Die in der Dezemberausgabe der Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit (eine Vorabversion ist auf arXiv.org verfügbar) schließt damit eine klar definierte Lücke: Erstmals wurde ein linear-optisches Einzelphotonen-Interferometer mit einem quantenlimitierten, durchstimmbaren „beweglichen Spalt“ realisiert – so nah an Einsteins ursprünglicher Idee wie nie zuvor.
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Das Doppelspaltexperiment: „Das einzige Rätsel“
Richard Feynman nannte das Doppelspaltexperiment einst „das Herz der Quantenmechanik“ und „in Wirklichkeit das einzige Rätsel“. Schickt man einzelne Teilchen durch zwei schmale Spalte, schlagen sie punktförmig ein, wie klassische Teilchen – doch über viele Durchgänge entsteht ein Interferenzmuster, als wäre jedes Teilchen eine Welle, die durch beide Spalte gleichzeitig geht und mit sich selbst interferiert. Sobald man jedoch versucht herauszufinden, welchen Weg das Teilchen genommen hat, verschwindet das Interferenzmuster. Diese Komplementarität – Wellen- oder Teilcheneigenschaften, aber nie beides gleichzeitig – war Ausgangspunkt der berühmten Bohr-Einstein-Debatten auf der Solvay-Konferenz 1927.
Einstein schlug damals ein Gedankenexperiment vor, das die Komplementarität aushebeln sollte: Ein „beweglicher Spalt“ auf empfindlichen Federn sollte den Rückstoß registrieren, wenn ein Photon ihn passiert und dabei abgelenkt wird. Aus dem Rückstoß ließe sich der Photonenweg bestimmen – und trotzdem sollte das Interferenzmuster erhalten bleiben. Bohr konterte mit der Heisenbergschen Unschärferelation: Will man den Impuls des Spalts präzise genug messen, wird dessen Ortsunschärfe so groß, dass sie das Interferenzmuster verwischt.

Der experimentelle Aufbau:
Ein einzelnes 87Rb-Atom wird mit einer Objektivlinse mit einer numerischen Apertur von 0,55 in einer optischen Pinzette eingefangen. Eine weitere Objektivlinse sammelt gestreute Photonen in einer Einmodenfaser, die von Einzelphotonen-Zählmodulen (SPCMs) detektiert werden. Das optische System ist phasenverriegelt mit einem 1064-nm-Referenzlaser, der durch einen maßgeschneiderten dichroitischen Strahlteiler in zwei Strahlen aufgeteilt wird.
(Bild: Pan et al. / Bearbeitung heise medien)
Lücke früherer Experimente geschlossen
Zwar gab es bereits experimentelle Annäherungen an dieses Gedankenexperiment – etwa mit Molekülen und Röntgenstrahlung oder als theoretischer Ionenfallen-Vorschlag. Doch diese Ansätze zerstörten entweder den Photonenzustand, nutzten zusätzliche Freiheitsgrade oder stellten kein echtes linear-optisches Interferometer dar.
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Das chinesische Team hat nun einen konzeptionell „puristischen“ Aufbau realisiert: Ein einzelnes, auf den Bewegungsgrundzustand heruntergekühltes Atom des Radioisotops Rubidium-87 in einer optischen Pinzette dient als beweglicher Spalt. Ein Photon wird daran gestreut, ohne absorbiert zu werden, und das gestreute Licht interferiert anschließend. Entscheidend ist, dass weder interne Atomzustände noch thermische Bewegung zusätzliche Weginformation liefern – das Atom fungiert als nahezu idealer quantenmechanischer Strahlteiler.
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Zur Diskussion zwischen Einstein und Bohr und deren Auswirkung auf die Interpretation der Quantenphysik hat Veritasium einen hervorragenden Beitrag veröffentlicht (Englisch).
Der Übergang zwischen Quanten- und klassischer Physik
Durch Variation der Fallentiefe der optischen Pinzette lässt sich die Impulsunschärfe des Atoms zwischen 0,78 und 1,60 Photonenimpulsen einstellen und damit die Interferenzsichtbarkeit systematisch steuern. Bei geringer Fallentiefe enthält der atomare Rückstoß viel Information über den Photonenweg – Photon und Atom sind stark verschränkt, die Interferenz verschwindet. Bei tiefer Falle „verschwindet“ der Rückstoß in den Quantenfluktuationen, die Interferenz bleibt erhalten. Die gemessenen Sichtbarkeiten folgen präzise der theoretischen Vorhersage für minimale Heisenberg-Unschärfe.
Zudem konnten die Forscher quantenmechanisches Rauschen von klassischer Aufheizung trennen und so den Übergang vom quantenlimitierten zum klassisch dominierten Regime direkt beobachten – eine experimentelle Bestätigung von Bohrs Position.
Physikalisch revolutionär ist das Ergebnis nicht – die Verbindung zwischen Sichtbarkeit, Verschränkung und Komplementarität war theoretisch längst geklärt. Doch in dieser spezifischen Kombination aus Einzelphotonen-Interferometer, quantenlimitiertem Atom als beweglichem Spalt und optisch einstellbarer Impulsunschärfe gibt es kein direktes Vorbild. Es dürfte aber die bisher „sauberste Lehrbuch-Version“ von Einsteins Gedankenexperiment sein.
(vza)
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Studie soll Wirksamkeit von Diabetes-App belegen
Mit wenigen Änderungen bei Ernährung und Lebensstil viel erreichen – so beschreibt das Lübecker Unternehmen Perfood das Ziel seiner App namens Glucura. Damit das gelingt, erfassen Nutzer in der App alle Nahrungsmittel, die sie im Laufe des Tages essen und trinken. Die App analysiert Ernährungsgewohnheiten und individuelle Blutzuckerreaktionen des Nutzers und schlägt auf dieser Grundlage Modifikationen beim Essen vor. Zudem macht die App Vorschläge für sportliche Betätigung.
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Ob eine derartige Intervention hilft, Blutzuckerspitzen zu vermeiden und insgesamt stabilere und bessere Werte zu erreichen, sollte eine klinische Studie mit 320 Probanden mit Typ-2-Diabetes untersuchen. Die Ergebnisse liegen nun vor. Die festgestellte Wirksamkeit liegt laut Perfood in einem Bereich, der sonst nur durch Einnahme von Medikamenten erzielt wird. Die Studienteilnehmer erreichten im Schnitt einen niedrigeren Langzeitblutzuckerwert (HbA1c) und nahmen innerhalb von einem halben Jahr durchschnittlich 4,7 Kilogramm ab.
Der HbA1c-Wert liegt bei Menschen mit gesundem Stoffwechsel unter 5,7 Prozent. Ein Wert von 5,7 bis 6,4 Prozent deutet auf ein erhöhtes Risiko für Diabetes hin; ab 6,5 Prozent lautet die Diagnose: Diabetes mellitus. Die Teilnehmer der Wirksamkeitsstudie konnten ihren Wert mit der App im Schnitt um 0,8 Prozent senken.
Blutzucker besser verstehen
Die Grundidee der App beruht auf der Tatsache, dass zucker- und kohlenhydrathaltige Lebensmittel bei unterschiedlichen Menschen zu unterschiedlichen Reaktionen führen. Während bei einer Person Kartoffeln einen besonders starken Anstieg der Blutzuckerwerte bewirken, sind es für eine andere ventuell Reis oder Nudeln.
Für Menschen mit Diabetes ist es hilfreich, ihre persönlichen Auslöser für besonders starken Blutzuckeranstieg zu kennen, um statt dieser Lebensmittel künftig geeignete Alternativen zu essen und so stabilere Werte zu erreichen. Laut Hersteller offenbarte die Studie dafür ein eindrucksvolles Beispiel: Bei einer Teilnehmerin verursachte demnach Schokoladenkuchen einen geringeren Blutzuckeranstieg als Apfelkuchen.
Nutzer der App erhalten einmalig einen Blutzuckersensor zur kontinuierlichen Überwachung der Werte während der ersten 14 Tage. In dieser Phase erstelle die App mithilfe von KI ein „metabolisches Profil“ des Nutzers, berichtet Perfood-Gründer und Geschäftsführer Dominik Burziwoda. Auf dieser Basis kann die App auch nach Ablauf des Sensors Vorhersagen treffen für die individuelle Blutzuckerantwort des Nutzers bei Verzehr bestimmter Nahrungsmittel.
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Apps auf Rezept
Glucura ist eine sogenannte Digitale Gesundheitsanwendung, kurz: DiGA. Mit Inkrafttreten des Digitale-Versorgung-Gesetzes (DVG) Ende 2019 wurden Apps dieser Art in die Gesundheitsversorgung überführt. Seitdem besteht für Versicherte ein Anspruch auf Versorgung mit DiGA. Wenn Ärzte oder Psychotherapeuten eine DiGA verordnen, erstatten die Krankenkassen die Kosten für deren Nutzung.
Um als DiGA zugelassen zu werden, durchlaufen Apps ein Prüfverfahren beim Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM). Alle erstattungsfähigen digitalen Gesundheitsanwendungen sind beim BfArM in dessen DiGA-Verzeichnis gelistet. Derzeit finden sich in dem Verzeichnis vier Apps für Patienten mit Diabetes. Glucura eignet sich für Patienten mit Diabetes Typ 2. Die App ist für iOS ab Version 14.0 und Google Android ab Version 8.0 verfügbar.
(mack)
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Copyright-Verstoß: Open-Source-Projekt geht gegen Chiphersteller vor
Entwickler des quelloffenen Multimedia-Frameworks FFmpeg haben GitHub mit einer DMCA-Takedown-Notice aufgefordert, den Quelltext des Moduls Media Process Platform (MPP) von Rockchip Linux zu entfernen. Auf GitHub ist github.com/rockchip-linux/mpp unter Verweis auf die DMCA-Beschwerde gesperrt.
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Die Entwickler werfen Rockchip vor, in seiner Multimedia‑Middleware MPP LGPL-lizenzierten Code aus FFmpeg/libavcodec kopiert, Copyright-Hinweise widerrechtlich entfernt und den Code unter der nicht LGPL-kompatiblen Apache-2.0-Lizenz neu veröffentlicht zu haben. FFmpeg-Entwickler hätten Rockchip bereits seit längerer Zeit auf das Problem hingewiesen und die DMCA-Beschwerde aufgrund ausbleibender Reaktion eingereicht, heißt es in dem Schreiben.
Das Open-Source-Projekt FFmpeg entwickelt Programme, Bibliotheken und Codecs zur effizienten und teilweise hardwarebeschleunigten Verarbeitung von Multimediadaten. Die Software ist Teil nahezu jeder Linux-Distribution, auch von Rockchip Linux. Hier pflegt Rockchip, Hersteller von kostengünstigen ARM-SoCs für unter anderem für TV‑ und Streaming-Boxen, billigen Android-Tablets und Chromebooks, Single Board Computern und industriellen IoT-Systemen, eine auf seine Chips angepasste Linux-Version. Board‑Hersteller und OEMs nutzen Rockchip Linux als Basis für die Software ihrer Geräte. Auch Community‑Distributionen für Geräte mit Rockchip-SoCs wie Armbian und postmarketOS verwenden Code von Rockchip Linux. Der Quellcode von Rockchip Linux steht auf GitHub.
Wenn sich die Angelegenheit nicht lösen lässt, bekommen viele Hersteller von Linux- und Android-basierten Geräten mit Rockchip-SoCs ein Problem, da hier die FFmpeg-basierte Media Process Platform (MPP) für hardwarebeschleunigte Videowiedergabe sorgt. Sie müssten dann auf andere, leistungsschwächere Software zurückgreifen. Zudem riskieren sie, selbst wegen Copyright-Verletzung belangt zu werden, solange sie MPP auf ihren Geräten verwenden.
(odi)
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Handy im Winter: So überstehen Smartphones Eis und Schnee
Wenn die Schneeflocken tanzen und die Schlittschuhe übers Eis kratzen, haben Smartphones mit der Kälte zu kämpfen. Moderne Geräte stecken Schnee, Frost und Nässe zwar besser weg als ältere Modelle, einige Probleme bleiben allerdings.
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Bis in die unteren Preisklassen hinein haben sich OLED-Panels bei den Smartphonedisplays durchgesetzt, und das ist im Winter eine gute Nachricht. Bei LCD-Displays sorgt die Kälte dafür, dass die Viskosität der Flüssigkristalle abnimmt. Zudem verändern sich weitere Parameter wie der Dielektrizitätskoeffizient. Dadurch bewegen sich die Moleküle langsamer, das Display reagiert nur noch träge. Im Extremfall ist ein Bildschirm dann überhaupt nicht mehr zu gebrauchen, weil er in einem Zustand verharrt.
OLED-Displays bleiben auch bei Minustemperaturen in der Regel benutzbar. Bei extremem Frost leiden sie zwar auch, allerdings in geringerem Maße. Oft bleibt es dabei, dass Touchsignale nicht mehr zuverlässig beim ersten Mal erkannt werden. Dagegen lässt sich bei manchen Modellen in den Systemeinstellungen Abhilfe schaffen. Wenn es dort einen Handschuhmodus gibt, sollten Sie ihn einschalten, er erhöht die Empfindlichkeit des Touchscreens. Zudem gibt es Handschuhe mit leitenden Fingerspitzen mittlerweile schon für wenig Geld. Damit lässt sich das Smartphone auch bedienen, ohne die Handschuhe auszuziehen.

Viele moderne Smartphones halten Wasser und Staub aus. Gegen Kondenswasser hilft das aber nur bedingt.
(Bild: Steffen Herget / heise medien)
Wesentlich gefährlicher ist die Kälte für den Akku. Der fühlt sich bei Raumtemperatur am wohlsten, Frost und Hitze stören die chemischen Abläufe in der Zelle. Die meisten Hersteller geben einen Temperaturbereich zwischen 0 °C und 35°C für ihre Akkus an, optimal für die Nutzung sind Temperaturen rund um 20 °C. Abgeschaltet zur Lagerung darf es auch etwas kühler sein, aber nicht frostig. Temperaturen unter dem Gefrierpunkt machen das Elektrolyt im Akku zäher, die Ionen bewegen sich langsamer und die Kapazität sinkt merklich. Das kann zu einem rapiden Abfall der Kapazität und, bei fortgesetzter Kälte, zu dauerhaften Schäden führen. Viele Smartphones schalten sich zum Schutz irgendwann automatisch aus, um einer schädlichen Tiefentladung durch die Kälte zuvorzukommen. Das Aufladen dauert in der Kälte wesentlich länger als bei gemäßigten Temperaturen und stresst den Akku stärker.
Daraus ergeben sich mehrere Ratschläge. Lassen Sie Ihr Smartphone, aber auch andere Kleingeräte wie Navis oder Kameras, nicht länger im kalten Auto liegen. Laden Sie sie nicht direkt auf, wenn der Frost den Akku in die Knie gezwungen hat, sondern warten Sie damit, bis es sich bei Raumtemperatur langsam aufgewärmt hat.
Vorsicht vor Kondenswasser
Die meisten aktuellen Smartphones besitzen verklebte Gehäuse, die gegen Staub und zumindest Spritzwasser, oft sogar gegen zeitweises Untertauchen geschützt sind. Das raubt einem Sturz in den Schneematsch oder eine Pfütze den Schrecken. Feuchtigkeit kann trotzdem zum Problem werden, uns zwar in Form von Kondenswasser. Das kann sich auch im Inneren bilden, vor allem bei schnellen Temperaturwechseln. Hier sollten Sie deshalb Vorsicht walten lassen und Ihr Gerät behutsam auftauen, wenn Sie von der Kälte wieder ins Haus kommen. Wer dem Wasserschutz des Herstellers nicht traut, oder ein nicht wasserdichtes Handy besitzt, investiert am besten ein paar Euro in eine Schutzhülle oder wasserdichte Tragetasche. Zur Not tut es auch eine Plastiktüte.
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Sechs Tipps für Handys im Winter
1. Der richtige Transport
Die einfachsten Lösungen sind manchmal die wirksamsten: Tragen Sie Ihr Smartphone am besten nah am Körper, dann kühlt es nicht aus. Die Innentasche ist der Außentasche also vorzuziehen. Auch im Rucksack oder im Auto kann ein Smartphone schnell zu kalt werden, lassen Sie es also dort nicht allzu lange liegen.
2. Schnelle Temperaturwechsel vermeiden
Ist es draußen frostig kalt, kann der Weg in die warme Stube schnell einen Temperatursprung von 30 Grad Celsius betragen. Noch deutlicher kann es werden, wenn man das Smartphone gar direkt auf eine Heizung legt. So ein krasser Temperaturwechsel in kurzer Zeit führt zu Kondenswasserbildung, und die kann im Inneren des Smartphones Schäden verursachen und Kurzschlüsse auslösen. Deshalb sollten Sie Ihr Smartphone unbedingt langsam aufwärmen lassen und keinesfalls auf die Heizung legen oder föhnen, um es möglichst schnell wieder auf Temperatur zu bringen.
3. Nässe vermeiden
Selbst wenn viele aktuelle Smartphones mittlerweile nach IP68 gegen Wasser geschützt sind: Nässe tut den Geräte nicht gut, und schon gar nicht in Verbindung mit extremer Kälte. Deshalb sollten die Geräte bei entsprechenden Bedingungen möglichst gut geschützt in der Tasche bleiben. Telefonieren lässt es sich auch mit einem verbundenen Kopfhörer.
4. Smartphone trocknen
Ist das Smartphone dann doch nass geworden, und war es vielleicht ein Modell ohne Wasserschutz, gilt es besonnen zu reagieren. Ist das Gerät ausgeschaltet, belassen Sie es zunächst einmal dabei. Entfernen Sie alles, was man entfernen kann, also etwa die SIM-Schublade und eventuell den Akku samt Abdeckung. Druckluft und Pusten in Öffnungen sind keine gute Idee, so kann Wasser in Bereiche gelangen, in die es sonst nicht kommt. Stattdessen klopfen Sie die Feuchtigkeit behutsam auf einer weichen Unterlage heraus und lassen das Gerät anschließend einige Stunden, wenn möglich einen halben Tag, langsam trocknen, bevor Sie es wieder einschalten.
5. Richtig laden
Egal ob warm oder kalt, irgendwann geht der Akku in die Knie. Ist Ihrem Smartphone unterwegs der Saft ausgegangen, sollten Sie beim Aufladen allerdings Geduld haben. Bevor das Ladegerät angestöpselt wird, sollte das Gerät auf Raumtemperatur aufgewärmt sein – und das langsam, siehe Tipp 2. So fühlt sich der Akku am wohlsten und bleibt auf Dauer länger gesund. Hat sich das Smartphone wegen Kälte von selbst abgeschaltet, warten Sie mit dem Einschalten, bis es wieder warm ist.
6. Abschalten
Wenn es so kalt ist, dass sich Ihr Smartphone ungewöhnlich verhält oder kaum noch zu bedienen ist, schalten Sie es am besten aus und verstauen es sicher in der Tasche. Damit kommen Sie in solchen Situationen meist einer automatischen Abschaltung zuvor und vermeiden bleibende Schäden.
(sht)
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