QPL-blue-logo-crop
fantasy hand-made drawing of a bird on leaves and flowers, as a symbol of the fair view environment of Parihaven

FOTONIEN POLKU: KVANTTIOPTIIKAN AARTEENETSINTÄ

1. Parihaven – Parivalkama: lähteet ja ilmaisimet 

Tässä tehtävässä aloitat matkasi Photonic Trail -polun maagisessa maailmassa, ja samalla opit lähteistä, ilmaisimista sekä muutamista muista komponenteista Quantum Flytrap -virtuaalilaboratoriossa.

Oletko valmis?

(Vieritä sivua alaspäin nähdäksesi kaikki sisältö tai klikkaa painiketta hypätäksesi suoraan haluamaasi kohtaan.)
Tarina
Tehtävä
Laboratorio

‼️ At the moment, The Photonic Trail is playable on large-screen devices only.

If you wish, you can use the audiobook option to listen to the story on your mobile device, but the mission can only be performed on a larger screen. 

Tarina 

Lumotun valtakunnan sydämessä kaipuusi legendaariseen Hilbertin lapioon vie sinua eteenpäin. Tämä myyttinen artefakti, pitkään maailmalta kätketty, odottaa vain yhtä arvoisekseen katsottua — todellista Valon Mestaria.
Ansaitaksesi tuon arvonimen sinun on kuljettava vaarallista Photonic Trail -polkua, jossa jokainen voittamasi koetus vie sinut lähemmäs lapion voimaa taivuttaa aikaa ja avaruutta.

Matkasi alkaa tästä. Onnea matkaan, matkaaja!

Syventääksesi seikkailuasi Parihavenissa suosittelemme kuuntelemaan tätä ääniraitaa lukemisen aikana:

Missio 

Tervetuloa ensimmäiseen laboratoriomissioosi!
Alla olevassa virtuaalilaboratoriossa käytät lähteitä, ilmaisimia ja kaikkea oppimaasi ratkaistaksesi kahden keijuperheen kiistan!

Mutta hetkinen – koepöydälläsi on jo tavaraa! Olemme valmistelleet laboratorion missiotasi varten ja kaikki tehtävässä tarvittavat komponentit ovat jo pöydällä kohdassa “Components to use”.

Tehdäksesi keijut tyytyväisiksi sinun tulee sijoittaa kyseiset komponentit niiden oikeille paikoille laboratoriossa (Position 1, Position 2, Position 3, Position 4) ja tarkastella, miten ne vaikuttavat valonsäteisiin ja ilmaisimiin. Jokaisella komponentilla on vain yksi oikea sijainti, jonka keijut ovat määrittäneet.

Voit vapaasti kokeilla ja leikitellä komponenteilla niin paljon kuin haluat! Jos tarvitset lisää vihjeitä tehtävän ratkaisemiseen tai haluat oppia lisää virtuaalilaboratoriossa näkemistäsi komponenteista, vieritä alas erilliseen Lab-osioon. 

Aloitetaan!

Missio 1 

Miten komponentit tulee asettaa, jotta tilanne olisi tämä:  
Detector 1 näyttää läpi kuljetaan kahdesti (100 % Ilmaisimelle 1 ja 100 % kiteelle),
Detector 2 näyttää 0 %,  
Detector 3 näyttää 25 %,
ja miina on 50 % aktivoitunut? 

Pieni vihje: aseta optinen pöytä Beam-tilaan vasemmasta paneelista. 

Jos sinulla on vaikeuksia laboratorion hahmottamisessa, kokeile zoomata sisään/ulos (Ctrl/Cmd +/-) tai siirtyä koko näytön tilaan tästä. 
Jos optinen pöytä näyttää tyhjältä (komponentteja ei näy), tarkista tämä sivu. 

Tarvitsetko lisää fysiikkaa? 

Lab-osiossa löydät kattavat selitykset siitä, miten kukin komponentti toimii virtuaalilaboratoriossa — ja miltä ne näyttävät oikeassa kvanttilaboratoriossa. Paina alla olevaa painiketta siirtyäksesi suoraan sinne. 
Laboratorio

Missio ratkaistu? 

Jos olet löytänyt ratkaisun ensimmäiseen tehtävääsi, hienoa työtä!
Voit nyt todistaa arvosi keijuille: käytä alla olevaa interaktiivista kuvaa toistaaksesi komponenttien sijainnit kokeellisella pöydällä.

Aivan kuten virtuaalilaboratoriossa, vedä jokainen komponentti oikealle paikalleen (Position 1–Position 4) ja lähetä vastauksesi. 
Oikeat asetukset palkitsevat sinut salakoodilla, jolla pääset seuraavaan tehtävään.

‼️ Huomio! Tällä hetkellä edistymistäsi ei tallenneta järjestelmään, joten suosittelemme kirjaamaan ylös (turvalliseen paikkaan!) sijaintisi/nykyisen tehtäväsi sekä matkasi aikana saamasi salakoodit. 

Aseta komponentit samaan kokoonpanoon kuin virtuaalilaboratoriossa. 

‼️ Muista merkitä ylös myös juuri saamasi salakoodi.

Laboratorio 

Tervetuloa osioon, joka on omistettu virtuaalilaboratoriossa käytettävien komponenttien ja niiden roolin tutkimiselle kvanttioptiikan laboratoriossa.

(Fotoni)lähteet 

Leikkiäksemme valolla tarvitsemme ensinnäkin valonlähteitä – siis laitteita, jotka emittoivat valoa. Virtuaalilaboratoriossa on kahdentyyppisiä valonlähteitä, jotka molemmat ovat pöydälläsi.
Laser
Näetkö kolmion, jonka sisällä on ikään kuin pieni sädetikku? Se on laser! Se tuottaa valoa prosessilla, joka tunnetaan simuloituna emissiona. Se on yleisimmin käytetty valonlähde kvanttioptiikassa. Lasereita on olemassa hyvin monenlaisia: on eri värejä ja eri kirkkauksia. Pelissä lasersäde näkyy katkoviivana ja sen kirkkaus näyttää valonsäteen voimakkuuden. 
Kristalli
Katso pöydälläsi olevaa esinettä, joka näyttää kallisarvoiselta jalokiveltä. Se on kristalli, tarkemmin sanottuna epälineaarinen BBO (Beta-Barium-boraatti) -kristalli. Huomaa, että siitä lähtee kaksi valonsädettä yhden sijaan. Näillä säteillä on jännittäviä ominaisuuksia, joita pääset tutkimaan myöhemmissä tehtävissä, mutta toistaiseksi sinun ei tarvitse tietää niistä.

Ilmaisimet 

Valo koostuu pienistä rakennuspalikoista, joita kutsutaan fotoneiksi. Fotoni-ilmaisin havaitsee, kun fotoni tulee sen kohdalle. Voimme siis havaita fotoneja kokeellisesti, mikä puolestaan antaa meille mahdollisuuden testata ja havainnoida kvanttimekaniikan ennusteita. Erityisen siistiä on, että emme havaitse ainoastaan fotonien joukkoja, vaan voimme havaita jopa yksittäisen fotonin! Mietipä sitä. Voimme toki nähdä valonsäteet itsekin silmillämme, mutta emme pysty erottamaan yksittäisiä fotoneita. Se että ilmaisin pystyy tähän, on sanalla sanoen hämmästyttävää. 

Quantum Flytrapin virtuaalilaboratoriossa on neljän tyyppisiä ilmaisimia: yksinkertainen ilmaisin, monisuuntainen ilmaisin, ei-tuhoava ilmaisin ja miina. 
Ilmaisin 1, ei-tuhoava ilmaisin 
Näetkö neliön, joka on merkitty nimellä “Detector 1” ja jonka päällä näkyy teksti 100 %, kun laserit ovat toiminnassa? Se on ei-tuhoava fotoni-ilmaisin. Se havaitsee mistä tahansa suunnasta tulevan valon tekemättä sille mitään: fotonit saavat jatkaa matkaansa häiriöittä. Prosenttiluku kertoo, kuinka suuri osa alkuperäisestä valonsäteestä menee ilmaisimen läpi. 
Ilmaisin 2, yksinkertainen ilmaisin
nälkäinen kärpäsloukku, jossa on merkintä “Detector 2”, on yksinkertainen ilmaisin, joka havaitsee vain yhdestä suunnasta tulevaa valoa. Se vahvistaa kunkin yksittäisen fotonin signaalia ja tekee siitä luettavan. Kun se havaitsee valoa, kärpäsloukku muuttaa väriään!
Ilmaisin 3, monisuuntainen ilmaisin
Pieni, vihreä, hirviömäinen kärpäsloukku, jossa on neljä suuta ja merkintä “Detector 3”, on monisuuntainen ilmaisin. Sehän muistuttaa edellistä, eikö niin? Itse asiassa, jos haluat saada monisuuntaisen ilmaisimen, sinun tarvitsee vain valita yksinkertainen ilmaisin elementtipaneelista, napsauttaa sitä hiiren kakkospainikkeella ja valita valintaruutu ” Detect all directions” – ja siinä se on! Kuten nimestäkin voi päätellä, se pystyy nyt havaitsemaan valoa kaikista suunnista. 
Ilmaisin 4, miina
Tällä ilmaisimella ei ole tosielämän vastinetta, sillä fyysikot eivät halua ottaa riskiä miinoista ja räjähdyksistä oikeissa laboratorioissa. Mutta koska olemme virtuaalisia täällä, meillä on lupa leikkiä sillä vaarantamatta raajoja. Tämä erikoinen ilmaisin aktivoituu räjähtämään, jos yksikin fotoni osuu siihen. Se muuttuu kirkkaan punaiseksi, kun se on aktivoitu. Se on siis aivan erilainen kuin muut ilmaisimet: toiset antavat tietoa luettavassa muodossa, kun taas miina antaa tiedon räjähtämällä!

Ilmaisimien prosenttiosuudet

Lasertilassa prosenttiluvut kertovat, kuinka suuri osa lähteen emittoimasta valosta päätyy kuhunkin ilmaisimeen. Lähteen emittoiman valon määrä on aina 100 %. Valonsäteen matkalla voi kuitenkin tapahtua jotain ja siksi kaikki valo ei aina pääse ilmaisimeen. Ilmaisimen yläpuolella voi näkyä esimerkiksi 37 %, mikä tarkoittaa, että vain 37 % valonlähteen emittoimista fotoneista saapuu tähän ilmaisimeen.

Neljä Komponenttia  

Valon kulku määräytyy muiden optisten elementtien mukaan: pääset itse tutkimaan niitä!

Olemme valinneet sinulle neljä komponenttia, joilla voit leikkiä ja nähdä, miten ne vaikuttavat valonsäteisiin. Ja nämä muuten ovat ne neljä komponenttia, joita patsaat keijujen aukiolla esittävät! 
Kuutio
Kuutio (The Corner Cube) on peileistä tehty kuutio, joka heijastaa valon joka suunnasta.
Absorboija
Absorboija (The Absorber) on suodatin, joka absorboi tietyn osuuden sen läpi kulkevasta valosta. Sitä voidaan käyttää heikentämään valonsädettä, sillä se päästää vain osan säteestä jatkamaan kvanttioptista matkaansa. Absorboijan yläpuolella näet absorboituneen valon prosenttiosuuden verrattuna lähteestä tulevan valon määrään. Tätä koetta varten olemme asettaneet lukemaksi 50 %, mutta lukua voi muuttaa klikkaamalla absorboijaa hiiren oikealla painikkeella. Tässä tehtävässä sitä ei tarvitse muuttaa, mutta voit toki kokeilla sitä omaksi huviksesi!  
Kivi
Kivi (The Rock) on – yllätys, yllätys – kivi! Kirjaimellisesti. Se pysäyttää kaiken siihen tulevan valon. Kuvittele, että osoitat lasersäteellä kiveä, seinää, tyynyä tai mitä vain sellaista. Et koskaan näe sädettä kohteen toisella puolella, koska tämä pysäyttää säteen täysin. 
Polarisoiva säteenjakaja
Polarisoiva säteenjakaja (The Polarizing Beam Splitter) jakaa tulevan säteen kahteen osaan, joista toinen jatkaa matkaansa alkuperäiseen suuntaan ja toinen jatkaa kohtisuorasti sivulle, ikään kuin se heijastuisi 45 asteen kulmaan asetetusta peilistä. Tässä vaiheessa saatat ihmetellä, miten laite jakaa säteen ja mitä tapahtuu, jos jakajaan tulee vain yksi fotoni? Ja mitähän se polarisaatio edes tarkoittaa? Näihin löydät vastuksen myöhemmin matkallasi! 

Tutustu  Oikeaan  Laboratorioon  

Quantum Flytrap -virtuaalilaboratorio on rakennettu todellisen optiikan laboratorion pohjalta.
Tässä osiossa pääset tutkimaan oikeaa optiikan laboratoriota ja näkemään itse, että virtuaalilaboratoriossa oppimasi asiat ovat todella käytössä tutkimuksessa ja erilaisissa sovelluksissa.

Valmistaudu tutustumaan optiseen pöytään ja joihinkin komponentteihin, joita käytetään oikeassa kvanttioptiikan laboratoriossa, kuten Dr. Francesca Sansavini esittelee alla olevalla videolla University of Oregon:ssa.

Kuten Francesca videolla kertoo, kaikki tarvittavat optiset komponentit voidaan kiinnittää optiselle pöydälle. Pääset nyt katsomaan läheltä joitakin videolla mainittuja elementtejä.
a view of the optical table, with devices set on steel table
picture11
on the steel table there is a device with a lens which is reflecting purple-like laser light
on the steel table among other metallic components there is a circular device that looks like a lens and it's called beam splitter
This is a black eletronic box, with several inputs and outputs for cables, and labelled Single Photon Counter Module 350-900 nm by Thorlabs

Nyt kun sinulla on käsitys siitä, kuinka monta komponenttia optisella pöydällä voi olla, katsotaan vielä lähemmin yhtä niistä, kuten Francesca näyttää alla olevalla videolla Dr. Francesca Sansavini. 

Kvanttioptiikan laboratoriossa optisella pöydällä voi olla paljon muutakin kuin peilejä, lähteitä ja ilmaisimia — aivan kuten virtuaalilaboratoriossa näimme. 

Jatka Photonic Trail -matkaasi ja löydä lisää kvanttioptiikan ihmeitä! 

Nyt tiedät kaiken laboratoriosta ja sen komponenteista Missio 1 varten! 

Jos haluat palata tehtävään, klikkaa alla olevaa painiketta ja palaa takaisin sinne, missä taika todella tapahtuu! 
Missio

Jos olet valmis jatkamaan Hilbertin lapion etsintää, pidä salakoodisi valmiina ja klikkaa alla olevaa kirjaa jatkaaksesi matkaasi The Neverwood (Kohtalottomaan Metsään)! 

Siirry seuraavaan missioon, matkaaja!
[bookshelf id='4']

Tai palaa Fotonien polun kotisivulle:
Photonic Trail Home Page

Contact

    Social

    Menu


    © 2020-2026 Algorithmiq QPlayLearn. All rights reserved.