Physik: Quantencomputing

dkracht

Gehört zu: Quantenphysik
Siehe auch: Wellenfunktion, Superposition, Verschränkung, von Neumann

Stand: 08.11.2024

Eine Umfrage zum persönlichen astronomischen Hintergrund: Umfrage.

Was ist ein Quantencomputer?

Warnung / Disclaimer

Diesen Blog-Artikel schreibe ich ausschließlich zu meiner persönlichen Dokumentation; quasi als mein elektronisches persönliches Notizbuch. Wenn es Andere nützlich finden, freue ich mich, übernehme aber kleinerlei Garantie für die Richtigkeit bzw. die Fehlerfreiheit meiner Notizen. Insbesondere weise ich darauf hin, dass jeder, der diese meine Notizen benutzt, das auf eigene Gefahr tut.
Wenn Podukteigenschaften beschrieben werden, sind dies ausschließlich meine persönlichen Erfahrungen als Laie mit dem einen Gerät, welches ich bekommen habe.

Ein Quantencomputer hat als Speicher keine “normalen” Bits, die also genau zwei Zustände (Null oder Eins) annehmen können, sondern sog. “Qubits”.

So ein Qubit ist ein quantenmechanisches Element, das durch eine Wellenfunktion Ψ beschrieben wird; wobei ein Qubit eine Superposition zweier Zustände |0> und |1> ist und alle Überlagerungen vorkommen können:

\( |\Psi \rangle = \alpha \cdot |0 \rangle + \beta \cdot |1 \rangle  \\ \)

Wobei \(  \alpha^2 + \beta^2 = 1 \) sein muss.

Das Qubit ist ein quantenmechanisches Element, wobei eine Observable ausgelesen werden kann, die genau zwei unterschiedliche Werte anzeigen wird.

Superposition und Verschränkung sind erforderliche Mechanismen; d.h. die Wellenfunktion darf nicht kollabieren.

Der Quantencomputer muss dann Operationen haben, die das Schreiben und Lesen von Qubits erlauben sowie eine Art “Berechnung”, die aus zwei Eingangs-Qubits ein oder mehrere Ergebnis-Qubits erzeugt (Rechenwerk). Dies macht man mit sog. Gattern.

Für das Funktionieren eines Quantencomputers ist wichtig, wie lange der Zustand der Qubits “kohärrent” bleibt. Durch jede Wechselwirkung mit anderen Teilchen kollabieren die Wellenfunktionen; d.h. der Zustand wird “inkohärent”. Diese sog. Kohärenzzeit muss lange genug dauern, um die erwünschte Rechenoperation und das Auslesen der Ergebnisse zu ermöglichen.

Technische Realisierung von Qubits

Ursprünglich hat man solche Qubits realisiert durch supraleitende Schaltkreise. Heutzutage spricht man über folgende prinzipielle Realisierungsmöglichkeiten:

  • Supraleitende Schaltkreise
  • Ionenfalle
  • Kalte Neutralatome
  • Halbleiter Spin
  • Stickstoff-Fehlstellen in Diamanten
  • Photonen

xxx

Familie: Mein Vater Günter Kracht

dkracht

Gehört zu: Familie
Siehe auch: Kolberg, Bremen

Stand: 27.10.2024

Günter Kracht

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Diesen Blog-Artikel schreibe ich ausschließlich zu meiner persönlichen Dokumentation; quasi als mein elektronisches persönliches Notizbuch. Wenn es Andere nützlich finden, freue ich mich, übernehme aber kleinerlei Garantie für die Richtigkeit bzw. die Fehlerfreiheit meiner Notizen. Insbesondere weise ich darauf hin, dass jeder, der diese meine Notizen benutzt, das auf eigene Gefahr tut.
Wenn Podukteigenschaften beschrieben werden, sind dies ausschließlich meine persönlichen Erfahrungen als Laie mit dem einen Gerät, welches ich bekommen habe.

Von meinem Bruder Rainer hatte ich mit Datum 8.3.2013 00:58 eine E-Mail mit Attachment namens “papa.txt” bekommen. Dort hat er aufgeschrieben, was er aus Erzählungen und einigen Dokumenten so über unseren Vater heraubekommen hat. Der Text lautet:

Papa geboren 10.10.1908 in Loitz, Vorpommern
Hebamme Sophie Müller (s. Geburtsurkunde)

Nach Danzig gezogen mit etwa zweieinhalb Jahren

Bruder Gerhard (April geboren) mit 6 Jahren an Scharlach gestorben

[späterer Eintrag: * 18.04.1910, + Dezember 1915, 5 Jahre alt]

Papa wohnte in Danzig-Neufahrwasser

Er ging zum Gymnasium Peter und Paul, Oberrealschule ohne Latein.
Die Schule war 8 km entfernt, er wollte mit der Staßenbahn allein dahin fahren, seine Mutter saß dann im zweiten Wagen als er sechs Jahre alt war. Es gab keine Grundschule, sondern eine dreijährige Vorschule.

1927 Abitur

Studium in München nur ein oder zwei Semester.

Dann nach Berlin, für zwei Jahre?
Hat dort Schulden gemacht, Brief an die Eltern
Unklar ob von ihm oder Verwandten
[in Potsdam war seine Tante Bertha Kracht verh. Klockow
und in Berlin seine verwitwete Tante Minna Kracht/Bischof]

Opa ist auf die Bahn nach Berlin und hat 1000 RM bezahlt,
dann wurde in Danzig studiert (Germanistik).

Bruno [Gramse] und Anneliese, Dr. Jost studierten da auch.

Seine Doktorarbeit über Sudermann (Westpreussen) und Max Halbe
war halb fertig, aber kein Termin für Prüfung.

1934 Auftrag vom Vorposten: Kritik zu Vortrag schreiben
aus drei Seiten [von ihm] wurden 10 Zeilen [im Vorposten]
es gab weitere Aufträge.

Papa fängt an beim Danziger Vorposten als freier Mitarbeiter,
später feste Anstellung.

Bei Heirat 1938 [Erika Arke] war er das schon Christa geboren 1938 [17.10.1938],
im Januar 40 Klaus [20.01.1940]
Ehe ging nicht gut. Erika war 17, Papa 29 als sie heirateten.
[bei anderer Gelegenheit erzählte Mutti, dass er gern mit seinen
Kollegen in der Kneipe saß statt sich um die Familie zu kümmern]

Mathematik: Wahrscheinlichkeit

dkracht

Gehört zu Mathematik
Siehe auch: Wellenmechanik

Stand: 06.10.2024

Wahrscheinlichkeit

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Diesen Blog-Artikel schreibe ich ausschließlich zu meiner persönlichen Dokumentation; quasi als mein elektronisches persönliches Notizbuch. Wenn es Andere nützlich finden, freue ich mich, übernehme aber kleinerlei Garantie für die Richtigkeit bzw. die Fehlerfreiheit meiner Notizen. Insbesondere weise ich darauf hin, dass jeder, der diese meine Notizen benutzt, das auf eigene Gefahr tut.
Wenn Podukteigenschaften beschrieben werden, sind dies ausschließlich meine persönlichen Erfahrungen als Laie mit dem einen Gerät, welches ich bekommen habe.

YouTube-Video von Edmund Weitz: https://youtu.be/BYUKbEXXmG4?feature=shared

Die die Anfänge der Wahrscheinlichkeitstheorie stammen wohl aus der Spieltheorie z.B. Würfelspiele etc.

In der klassische Definition hat man:

  • Eine Menge von Elementarereignissen Ω, die alle gleich wahrscheinlich sein sollen
  • Ein Zufallsexperiment bei dem ein Element x ∈ Ω gezogen wird.
  • Man definiert eine Teilmenge A ⊂ Ω.
  • Dann fragt man sich, mit welcher Wahrscheinlichkeit das gezogene Element in der Teilmenge A liegen wird.

Anzahl “günstige” Fälle / Anzahl aller möglichen Fälle

Als Formel:

\( P(A) = \Large\frac{|A|}{|Ω|}  \\ \)

Das ist die sog. Laplace-Wahrscheinlichkeit.

Solange die Menge Ω endlich ist funktioniert das ja bestens.

Man nennt diese Sichtweise auch die “frequentistische”. Da geht es also um relative Häufigkeiten und wiederholbare Versuche, die langfristig sich der “wahren” Wahrscheinlichkeit annähern.

Axiomatische Wahrscheinlichkeitstheorie

Andrei Nikolajewitsch Kolmogorow (1903-1987) hat die Wahrscheinlichkeitsrechnung axiomatisch aufgebaut.

Sei Ω eine beliebige nicht leere Menge und P eine Funktion (Abbildung), die Teilmengen von Ω eine reelle Zahl zuordnet.
Eine Teilmenge von A ⊂ Ω nennen wir auch ein “Ereignis” und die zugeordnete Zahl P(A) die “Wahrscheinlichkeit” des Ereignisses A.

  1. Für alle Ereignisse A ist P(A) ≥ 0
  2. Die Wahrscheinlichkeit des sicheren Ereignisses Ω ist P(Ω) = 1
  3. Wenn wir zwei Ereignisse A und B betrachten, die “unvereinbar” sind; soll heissen A ∩ B = Ø, dann gilt:
    P(A ∪ B) = P(A) + P(B)

Problematisch wird das, wenn die Grundmenge Ω überabzählbar ist. Dann kann man nicht jeder Teilmenge A ⊂ Ω eine reelle Zahl P(A) zuordnen, so dass die obigen Axiome erfüllt sind. Der Definitionsbereich der Funktion P muss dann etwas “trickreicher” definiert werden, was man mit Hilfe der Maßtheorie hinbekommt (Stichwort: σ-Algebra).

Bedingte Wahrscheinlichkeit

Die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten von A unter der Bedingung, dass das Eintreten von B bereits bekannt ist schreibt man als: P(A|B).

\( P(A|B) = \Large\frac{P(A \, \cap \, B)}{P(B)} \)

Aufgepasst: die Ereignisse A und B können zeitlich in beliebiger Reihenfolge eintreten. Ein Kausalzusammenhang ist erst recht nicht gemeint.

Wahrscheinlichkeit nach Thomas Bayes

Man nennt diese bisherigen Betrachtungen auch die “frequentistisch”. Da geht es also um relative Häufigkeiten und wiederholbare Versuche, die langfristig sich der “wahren” Wahrscheinlichkeit annähern.

Wir beginnen mal mit der “Bedingten Wahrscheinlichkeit” von oben. Man kann die Formel dafür auch anders schreiben:

\( P(A|B) = \Large \frac{P(B|A) P(A)}{P(B)} \)

Dieses wird auch genannt “Satz von Bayes“.

Wenn ein Ereignis nicht wiederholbar ist, versagt die frequentistisch Definition von Wahrscheinlichkeit.

Beispiele:

  • “Die Inflation wird im nächten Jahr mehr als 2% sein”
  • “Wie wahrscheinlich ist ein Wahlsieg des ehemaligen Präsidenten?”
  • “Wie hoch ist morgen die Regenwahrscheinlichkeit?”

Hier wird der Begriff “wahrscheinlich” umgangssprachlich verwendet – so in etwa in dem Sinne:

Wahrscheinlichkeit ist ein Maß für die Sicherheit der (persönlichen) Einschätzung eines Sachverhalts.

Wahrscheinlichkeiten in diesem Sinne werden auch vergleichend (“komperativ”) gebraucht:  “Die Wahrscheinlichkeit für Regen morgen ist höher als für Regen übermorgen”.

Insofern könnte man eine so gemeinte Wahrscheinlichkeit auch sinnvoll durch eine Zahl zwischen Null und Eins ausdrücken. Man muss dieses o.g. “Maß” also irgendwie quantifizieren.

Für so eine Quantifizierung der Bayesschen Wahrscheinlichkeit gibt es zwei Ansätze.

Ansatz 1: de Finetti

Die Idee ist, dass man Gewissheit durch eine Art Wette quantifizieren kann.

Zu jedem Ereignis A, dem ich eine Wahrscheinlichkeitszahl zuordnen will mache ist ein Los, für das der Käufer einen “Gewinn” von 1 Euro von mir bekommt, wenn das Ereignis A eintrifft. Die Frage ist, zu welchem Preis ich so ein Los verkaufen würde. Dieser Preis, den ich festlege ist so etwas wie die von mir (subjektiv) eingeschätzte Sicherheit/Wahrscheinlichkeit mit der ich glaube, dass das Ereignis eintreten wird.

Ich muss zu diesem Preis (oder höher) verkaufen, wenn ein Käufer das anbietet; ich muss zu diesem (oder einem niedrigeren) Preis selber (zurück)kaufen, wenn ein Verkäufer das von mir verlangt.

Ansatz 2: Erweiterung der klassische Logik

Nachwievor arbeiten wir mit Aussagen die entweder (ganz) wahr oder (ganz) falsch sind, wir wissen es nur nicht genau. Daher ordnen wir solchen Aussagen Plausibilitäten zu (auf Grund von Tatsachen, die wir kennen).

Im Prinzip betrachten wir nicht allein Aussagen, sondern Kombinationen von Aussagen und Informationsständen und schreiben als Plausibilität von A bei einem Informationsstand I:

(A,I) ∈ [0,1]

Wobei das eine reelle Zahl zwischen o und 1 sein soll und bei gleichem A und gleichem I auch (A,I) immer gleich sein soll (Plausibilitäsroboter – also nicht subjektiv).

Das ganze soll nicht der Aussagenlogik widersprechen, was wir in einfachen Axiomen hinschreiben könnten.

Physik: QED Quantenelektrodynamik

dkracht

Gehört zu: Physik
Siehe auch: Elementarteilchenphysik, Quantenfeldtheorie

Stand: 30.9.2024

QED Quantenelektrodynamik

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Die Quantenelektrodynamik ist eine Quantenfeldtheorie und soll die Grundkraft “Elektromagnetismus” erklären.

Betroffene Teilchen sind: Proton, Neutron und Elektron

Austauschteilchen: Photon

Gruppentheorie: U(1)

Begonnen hat die Entwicklung der QED mit Paul Dirac. Später brachten Richard Feynman u.a. sie zur Vollendung. Nobelpreis 1965.

Physik: Quanten-Verschränkung

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Gehört zu: Quantenmechanik
Siehe auch: Wellenfunktion

Stand: 25.9.2024

Quanten-Verschränkung – Entanglement

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YouTube: https://youtu.be/WSD24yvMj1w?feature=shared

Zwei Teilchen (Quanten-Teilchen) können “verschränkt” sein – engl. “entangled”.

Zwei verschränkte Teilchen können entstehen, wenn ein ursprüngliches Teilchen in zwei Teilchen zerfällt. Wenn das ursprüngliche Teilchen eine Erhaltungseigenschaft hatte, muss diese in den entstandenen zwei Teilchen in Summe unverändert auftauchen.

Man sagt auch, dass die zwei Teilchen eine gemeinsame Wellenfunktion haben.

Manchmal hört man auch, dass ein Quanten-System aus zwei Teilchen als Wellenfunktion das Produkt der beiden einzelnen Wellenfunktionen hat.

Wie enstehen verschränkte Teilchen?

Die Standard-Methode verschränkte Teilchen zu erzeugen ist die sog. “Paarerzeugung”; d.h. ein energiereiches einzelnen Teilchen zerfällt in ein Paar von Teilchen. Typischer Weise ein Teilchen und sein Antiteilchen; beispielsweise:

  • Elektron und Positron
  • Ein hochenegetisches Photon zerfällt in zwei Photonen mit halber Energie (halber Frequenz) z.B. beim Durchgang durch einen nichtlinearen Kristall

Die beiden so entstandenen Teilchen haben dann in der Summe die Eigenschaften des ursprünglichen Teilchens. soweit es sich um Erhaltungsgrößen handelt. Z.B. Ladung, Spin, Energie, Impuls etc. In diesem Sinne sind die beiden Teilchen also über diese Erhaltungsgrößen mit einander verbunden.

Die beiden verschränkten Teilchen haben dann eine gemeinsame Wellenfunktion. Wenn man an einem der beiden Teilchen eine Messung einer Observablen vornimmt, kollabiert die ganze Wellenfunktion instantan (s. Kopenhagener Deutung) und der Wert der Observablen für beide Teilchen (auch wenn sie weiter von einander entfernt sind) wird gleichzeitig “scharf”.

Physik: Kopenhagener Deutung

dkracht

Gehört zu: Quantenpysik
Siehe auch: Wellenfunktion, Materiewellen

Stand: 25.9.2024

Kopenhagener Deutung

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Nach der sog. Kopenhagener Deutung (1927 Niels Bohr und Werner Heisenberg) ergibt sich aus der Wellenfunktion eines Teilchens eine Wahrscheinlichkeitsdichte ρ(x,t) für den Aufenthaltsort und zwar wird dabei der Betrag der Wellenfunktion zum Quadrat genommen:.

\( \Large \rho(x,t) = | \Psi(x,t) |^2 \\\)

Aus dieser Wahrscheinlichkeitsdichte ρ ergibt sich der Erwartungswert für den Ort des Teilchens zum Zeitpunkt t:

\(\Large \langle x \rangle = \int\limits_{-\infty}^{+\infty} x \, \rho(x,t) \, dx = \int\limits_{-\infty}^{+\infty} x \, | \Psi(x,t) |^2 \, dx \\\)

Da der Betrag einer komplexen Zahl z definiert ist über: \( | z |^2 = z \cdot z^* \) folgt daraus…

\(\Large \langle x \rangle = \int\limits_{-\infty}^{+\infty} \Psi^*(x,t) \, x \, \Psi(x,t)  \, dx \\\)

In dieser Form sehen wir schon einen ersten Operator (s.u.), der auf die Wellenfunktion wirkt und uns ein Observable (den Ort) als Erwartungswert bringt. Zum Erwartungswert siehe auch: Susskind.

Im Falle einer Wellenfunktion mit einer ganz dünnen und hohen Spitze und ansonsten Null können wir den Erwartungswert des Ortes <x> gleichsetzen mit dem definitiven Ort des Teilchens und bekommen- nach einigem Rechnen – die Newtonsche Mechanik. So zeigt es im Prinzip Paul Ehrenfest.

Physik: Das Bohrsche Atommodell

dkracht

Gehört zu: Atomphysik
Siehe auch: Quantentheorie, Coulomb, Zentrifugalkraft

Stand: 20.9.2024

Das Bohrsche Atommodell

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Niels Bohr (1885-1962) stellte 1913 das berühmte Bohrsche Atommodell auf. 1922 erhielt er den Nobelpreis für Physik.

Das Atommodell von Niels Bohr stellt eine Verfeinerung des Atommodells von Ernest Rutherford dar.

Rutherford konnte schon zeigen, dass das Atom einen sehr kleinen Kern besitzt in dem praktisch die gesammte Masse des Atoms vereinigt ist und der positiv geladen ist. Um den Kern herum gibt es die praktisch leere Atomhülle in der die negativ geladenen Elektronen herum schwirren.

Das Atommodell von Niels Bohr besagt, dass die Elektronen den Atomkern auf Kreisbahnen bestimmter Energie umrunden. Da man wusste, dass beschleunigte Elektronen (Kreisbahn = Beschleunigung) Energie in Form elektromanetischer Strahlung abstrahlen müssen, stellte Bohr zusäzliche Postulate auf, die zunächst ohne physikalische Begründung blieben:

1. Dem Elektron stehen nicht alle klassisch möglichen Bahnen zur Verfügung, sondern nur bestimmte ausgewählte von ihnen. Auf diesen Bahnen erzeugt es keine elektromagnetische Strahlung, sondern behält seine Energie. Dies sind die stationären Zustände des Atoms.

2. Ein Elektron kann von einem stationären Zustand in einen anderen springen. Bei diesem als Quantensprung bezeichnete Vorgang, wird elektromagnetische Strahlung emittiert oder absorbiert. Dabei ergibt sich die Frequenz ν der Strahlung durch die Energiedifferenz  der beiden Zustände zu \(\nu = \Delta E \cdot h \)

3. Die stabilen Elektronenbahnen zeichnen sich dadurch aus, dass der Bahndrehimpuls des Elektrons ein ganzzahliges Vielfaches des reduzierten Planckschen Wirkungsquantums ist:

\( L = n \cdot \hbar \, \, (n=1,2,3,\ldots) \)

Dies bezeichnet man auch als die Quantenbedingungen und n als sog. Hauptquantenzahl.

Diese nicht-klassischen Postulate sollen sich im Grenzfall klassischen Gesetzen anhähern (Korrespondenzprinzip).

Maßeinheiten

Das Wirkungsquantum können wir messen in den SI-Einheiten:  \(  J\,s = \frac{kg \, m^2}{s^2} s = \frac{kg \,  m^2}{s} \)

Einen Drehimpuls (s.u.) messen wir in den SI-Einheiten: \( N \, m\, s  = \frac{kg \, m^2}{s} \)

Drehimpuls

Klassischerweise ergibt sich der Drehimpuls L als Trägheitsmoment J mal Winkelgeschwindigkeit ω, also:

\( L = J \cdot \omega \)

Und das Tägheitsmoment einer Kreisbewegung eines Teilchens der Masse m auf einer Bahn mit dem Radius r wäre:

\( J = m \cdot r^2 \)

Die Winkelgeschwindigkeit ω auf einer Kreisbahn ergibt sich aus Radius r und Bahngeschwindigkeit v wie folgt:

\( \omega = \frac{v}{r} \)

und bekommen als Bahndrehimpuls:

\( L = r \cdot m \cdot v \)

Nun können wir v ermitteln, denn Anziehungskraft und Zentripedalkraft müssen sich auf einer Kreisbahn die Waage halten:

XYZ

Elektrostatische Kraft im Wasserstoffatom

Link: https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/ladungen-elektrisches-feld/aufgabe/elektrische-kraefte-im-wasserstoffatom

Wobei im Wasserstoffatom gilt:

  • Elektrische Ladung eines Elektrons: \( q_e = -1.6 \cdot 10^{-19} C \)
  • Elektrische Ladung eines Protons: \( q_p = +1.6 \cdot 10^{-19} C \)
  • Masse eines Elektrons: \( m_e = 9.1 \cdot 10^{-31} kg \)
  • Angenommene Entfernung Proton-Elektron: \( r = 5.29 \cdot 10^{-11} m  \)  (Bohrscher Radius)

Damit errechnet sich die elektrische Anziehungskraft zwischen Proton und Elektron im Wasserstoffatom (unter Vernachlässigung anderer Kräfte) zu:

\( \Large F = \frac{1}{4 \cdot 3.1415 \cdot 8.8541 \cdot 10^{-12}}   \cdot \frac{1.6 \cdot 1.6 \cdot 10^{-38}}{5.29^2 \cdot 10^{-22}}  N \\\ \)

Ausgerechnet:

\( \Large F = \frac{1}{111.2639 \cdot 10^{-12}}   \cdot   0.0914805 \cdot 10^{-16}   N  \)

Weiter gerechnet:

\( \Large F = \frac{ 0.0914805}{111.2639}  \cdot 10^{-4}   N = 0.0008221939 \cdot 10^{-4} N = 8.221939 \cdot 10^{-8} N \)

Kreisbahn im Wasserstoffatom

Für eine Kreisbahn ist eine Zentripedalkraft in gleicher Höhe wie die zentrale Anziehungskraft erforderlich.  Bei einer Bahngeschwindigkeit von v und einem Bahnradius von r ist die Zentripedalkraft:

\( \Large F = \frac{m \cdot v^2}{r} = 8.221939 \cdot 10^{-8}N \)

Also

\( \Large v =\sqrt{\frac{8.221939 \cdot 5.29 \cdot 10^{-19}}{9.1 \cdot 10^{-31}}} m/s = \sqrt{4.779568 \cdot 10^{12}} m/s = 2.186222 \cdot 10^6 m/s \)

Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit

Im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit von 299792 km/s = 2.99792 · 108 m/s sind das ca. 0,73% also noch nicht “relativistisch”.

Das Problem dieses “simplen” Atommodells ist also nicht, dass die (theoretische) Bahngeschwindigkeit des Elektrons zu schnell sein müssste; verglichen zur Lichtgeschwindigkeit, sondern das Problem liegt darin, dass ein bewegtes (und beschleunigtes) Elektron eine elektromagnetische Welle abstrahlen müsste (siehe Dipolformel) und damit laufend Energie verlieren würde und dadurch nach kurzer Zeit in den Atomkern stürzen müsste.

Astronomie: ASIAIR Kalibrieren und Stacken

dkracht

Gehört zu: ASIAIR Plus
Siehe auch: Meine Beobachtungsobjekte, Fokussieren der ASIAIR, Fotografieren mit der ASIAIR
Stand: 13.9.2024

Meine Schritte zum Kalibrieren und Stacken mit der ASIAIR Plus

Warnung / Disclaimer

Diesen Blog-Artikel schreibe ich ausschließlich zu meiner persönlichen Dokumentation; quasi als mein elektronisches persönliches Notizbuch. Wenn es Andere nützlich finden, freue ich mich, übernehme aber kleinerlei Garantie für die Richtigkeit bzw. die Fehlerfreiheit meiner Notizen. Insbesondere weise ich darauf hin, dass jeder, der diese meine Notizen benutzt, das auf eigene Gefahr tut.
Wenn Podukteigenschaften beschrieben werden, sind dies ausschließlich meine persönlichen Erfahrungen als Laie mit dem einen Gerät, welches ich bekommen habe.

Nachdem wir mit der ASIAIR einen sog. Plan mit einem ein Zielobjekt (Target) und Sequenz-Daten erstellt hatten und dann diesen Plan in einer sternklaren Nacht ausführen (also fotografieren) konnten, haben wir nun die Fotos als sog. “Light Frames” im Speicher der ASIAIR.

Wir können diese Light Frames nun auf der ASIAIR “stacken”, wofür wir aber noch sog. Calibration Frames benötigen:

  • Dark Frames
  • Flat Frames
  • Bias Frames

Erstellen eines Autorun zur Erstellung die Calibration Frames

Die Calibration Frames können wir ebenfalls mit der ASIAIR erstellen. Dafür brauchen wir kein Zielobjekt (Target), also können wir auf dem ASIAIR den Modus “Autorun” verwenden.

Im “Autorun” gibt es nur ein “fiktives” Target (d.h. ohne Goto), welchem wir dann mehrere “Sequences” hinzufügen können in dem wir auf den Kasten mit dem großen Plus-Symbol drücken. Diese Sequences werden auch “Shooting Schedules” genannt.

Abbildung 1: Erstellen Flat Frames (Google Drive: ASIAIR Autorun Flat.jpg)

Daten für Flat-Sequenz eingeben. Klicken auf OK

Abbildung 2: Erstellen Bias Frames (Google Drive: ASIAIR Autorun Bias.jpg)

Daten für Bias-Sequenz eingeben. Klicken auf OK

Abbildung 3: Erstellen Dark Frames (Google Drive: ASIAIR Autorun Dark.jpg)

Daten für Dark-Sequenz eingeben. Klicken auf OK

Abbildung 4: Erstellen Calibration Frames (Google Drive: ASIAIR Autorun Calibration.jpg)

Die Detail-Daten, die ich für die einzelnen Sequences (Flat, Bias, Dark) eingegeben hatten sehen wir, wenn wir eine Sequenz anklicken.
Soweit ist der Autorun ersteinmal auf dem ASIAIR gespeichert aber noch nicht ausgeführt.

Erstellen der Calibration Frames per Autorun

Die so in einem Autorun definierten Sequenzen für die Erstellung der Calibration Frames können wir nun ablaufenlassen indem wir diesen Autorun starten. Aber einzeln Sequenz für Sequenz, da wir das Teleskop jeweils unterschiedlich herrichten müssen.

Abbildung 5: Autorun starten (Google Drive: ASIAIR Autorun Start.jpg)

Diesen Autorun starten nur nachdem wir eine bestimmte einzelne Sequenz (Flat, Bias, Dark) selektiert haben.

Flat Frames

Zum Erstellen der Flat Frames gehe ich nach draußen an mein Teleskop, stelle das Fernrohr nach oben auf den Zenith und lege mein Pegasus Flatmaster oben auf die Öffnung der Taukappe. Das Flatmaster ist per USB angeschaltet und die ASIAIR ermittelt automatisch eine passende Belichtungszeit.

Gain wie bei den Light Frames.

Im Autorun nur die Sequenz “Flat” selektieren. Autorun starten.

Bias Frames

Objektiv komplett abgedunkelt. Belichtungszeit auf Minimum. Gain wie bei den Light Frames.

Im Autorun nur die Sequenz “Bias” selektieren. Autorun starten.

Dark Frames

Objektiv komplett abgedunkelt. Belichtungszeit wie bei den Light Frames. Gain wie bei den Light Frames. Sensor-Temperatur wie bei den Light Frames.

Im Autorun nur die Sequenz “Dark” selektieren. Autorun starten.

Kalibrieren und Stacken der Einzelaufnahmen mit der ASIAIR

Wenn wir unsere Calibration Frames fertig haben, können wir zur Hauptsache kommen: Das Stacken unserer Light Frames.
Dazu klicken wir in der ASIAIR-App in der oberen Leiste auf das Symbol “eMMC”. Dadurch öffnet sich ein Dialog-Feld “Files” wo wir im Bereich “POST STACKING” auf das kleinere Bildchen “DSO Stacking” klicken.

Abbildung 6: Post Stacking (Google Drive: ASIAIR Post Stacking.jpg)

Wenn wir hier auf DSO Stacking klicken kommen wir auf das Haupfenster für DSO Stacking.

Abbildung 7: DSO Stacking (Google Drive: ASIAIR DSO Stacking.jpg)

Hier müssen wir nun den Input für das gewünschte Stacking angeben:

  • Welche Light Frames?
  • Welche Dark Frames (die müssen zu einem Master Dark zusammengefasst werden) ?
  • Welche Flat Frames (die müssen zu einem Master Flat zusammengefasst werden) ?
  • Welche Bias Frames (die müssen zu einem Master Bias zusammengefasst werden) ?

Erst wenn das alles richtig wunschgemäß ausgefüllt wurde, sollten wir ein Stacking (Process) starten.

Select Light Frames

Wenn bei den Light Frames noch alte Sachen stehen, drücken wir auf “Clear” und dann auf das Plus-Symbol.

Abbildung 8: Select Light Frames (Google Drive: ASIAIR Stacking Lights.jpg)

Als Light Frames nehmen wir unsere 60 Aufnahmen aus dem Plan von M45. Danach klicken wir oben links auf “Done” (blauer Pfeil).

Select Master Dark

Bei den Master Darks können wir ein vorhandenes auswählen, einzelne Master Darks löschen oder ein neues Master Dark erstellen.

Select Master Flat

Bei den Master Flats können wir ein vorhandenes auswählen, einzelne Master Flats löschen oder ein neues Master Flat erstellen.

Select Master Bias

Bei den Master Biases können wir ein vorhandenes auswählen, einzelne Master Biases löschen oder ein neues Master Bias erstellen.

Stacking Prozess starten

Erst jetzt macht es Sinn den Stacking-Prozess zu starten.

Abbildung 9: Start Stacking-Prozess (Google Drive: ASIAIR Stacking Start.jpg)

Nachdem nun Lights, Master Darks, Master Flats und Master Biases zugeordnet sind, klicken wir auf den Knopf “Process” (gelber Pfeil). Der Prozess dauert eine Weile. Nach einigen Minuten erscheint schließlich “Stacking Finised”.

Abbildung 10: Stacking Finished (Google Drive: ASIAIR Stack Finished Check.jpg

Wir Klicken auf “OK” oder “Check” (blauer Pfeil).
Das Ergebnis ist die Summendatei (FITS) im ASIAIR-Ordner eMMC\Stacked\DSO\Processed.

Weiterbearbeiten auf dem Windows-Computer

Nun ist die ASIAIR fertig. Ich möchte die Summendatei noch weiterbearbeiten und transferriere sie deshalb auf meinen Windows-Computer, wo das eMMC-Memory der ASIAIR als Netzwerk-Laufwerk eingebunden ist.

Abbildung 11: Transfer auf Windows-Computer (Google Drive: ASIAIR Stack Result Windows.jpg)

Als Weiterbearbeitung auf dem Windows-Computer denke ich an:

  • Zuschneiden (Stacking-Ränder)
  • Gradienten entfernen
  • Rauschen entfernen
  • Farbkalibrierung
  • Farbsättigung erhöhen
  • Stretchen

Ich mache das mit GraXpert, Siril  und Fitswork wie folgt:

  • GraXpert: Bild laden und zuschneiden, sodass Stacking Artefakte am Bildrand weg sind
  • GraXpert Gradienten entfernen mit AI-Model und Hardware-Beschleunigung=Ein (Smooth-Faktor = 0,5)
  • GraXpert Rauschen entfernen mit AI-Modell und Hardware-Beschleuingung=Aus
  • GraXpert Bild speichern (Farbsättigung=0, FITS16)
  • Siril: Photometric Colour Calibration
  • Fitswork: Open Datei
  • Fitswork: Farbsättigung=150
  • Fitswork: Histogramm Stretchen
  • Fitswork: Übertragen auf Bildwerte
  • Fitswork: Spechern als FITs 16 Bit Ganzzahl
  • Fitswork: Evtl. noch speichern als JPG mit 95%

Astronomie: Planen mit der ASIAIR

dkracht

Gehört zu: ASIAIR Plus
Siehe auch: Meine Beobachtungsobjekte, Fokussieren der ASIAIR, Stacken mit der ASIAIR
Stand: 22.9.2024

Meine Schritte zum Aufnehmen einer Foto-Serie (Sequenz) mit der ASIAIR Plus

Warnung / Disclaimer

Diesen Blog-Artikel schreibe ich ausschließlich zu meiner persönlichen Dokumentation; quasi als mein elektronisches persönliches Notizbuch. Wenn es Andere nützlich finden, freue ich mich, übernehme aber kleinerlei Garantie für die Richtigkeit bzw. die Fehlerfreiheit meiner Notizen. Insbesondere weise ich darauf hin, dass jeder, der diese meine Notizen benutzt, das auf eigene Gefahr tut.
Wenn Podukteigenschaften beschrieben werden, sind dies ausschließlich meine persönlichen Erfahrungen als Laie mit dem einen Gerät, welches ich bekommen habe.

Ich suche ich mir also ein Himmelsobjekt aus, welches ich fotografieren will. Das muss dann in der Nacht in meinem Himmelsausschnitt für mindestens zwei Stunden gut sichtbar sein und der Mond darf nicht stören.

DSO = Deep Sky Object; d.h. ein Objekt ausserhalb unseres Sonnensystems.

Als Beispiel nehme ich die Plejaden: M45. Für das ausgesuchte Ziel-Objekt (Target) brauche ich die Himmelskoordinaten (also Rektaszension und Deklination) damit die ASIAIR es anfahren kann (also: Go To) und automatisch zentrieren kann; dafür setzt die ASIAIR Plate Solving ein.

Aufnahme-Plan einrichten

Wir wollen nun in der ASIAIR einen Plan mit den gewünschten Ziel-Objekten und für jedes Ziel-Objekt eine Sequence einrichten.

In der Benutzeroberfläche der ASIAIR gehe ich im rechten Bereich auf “Plan”.

Abbildung 1: Erstellen eines Plans (Google Drive: ASIAIR New Plan.jpg)

Dort erstelle ich einen neuen Plan. Der Plan bekommt einen Namen “September”.

In den neuen Plan kann ich gleich ein oder mehrere Zielobjekte (sog. Targets) eingestellen.

Mit “OK” (oben rechts) wird der neue Plan in der ASIAIR angelegt.

Meine ersten Zielobjekte (Targets) sind  Offene Sternhaufen, die ich zur jetzigen Jahreszeit (Aug./Sept.) von meiner heimischen Terrasse aus sehen kann:

  • M45 (Plejaden)
  • M39
  • NGC 457
  • NGC 7789
  • h und Chi im Perseus

Wenn ich also den neuen Plan names “September” in der ASIAIR-App aufrufe, kann ich Zielobjekte (Targets) zu diesem Plan hinzufügen. Um ein Target hinzuzufügen klicke ich auf das große Feld mit dem Pluszeichen.

Abbildung 2: Add a Target to the Plan (Google Drive: ASIAIR Add Target.jpg)

Dann zeigt mit die ASIAIR-App eine Liste von möglichen Zielobjekten einer sog. “Kategorie” an. Als Kategorie nehme ich “Messier Objects”.

Über das “Hamburger Menü” (drei waagerechte Striche) kann ich andere Kategorien auswählen, Über das Lupen-Symbol kann ich innerhalb einer Kategorie gezielt nach dem gewünschten Target suchen; also in meinem Beispiel: “M 45”.

Abbildung 3: Suchen M 45 in der Kategorie “Messier Objects” (Google Drive: ASIAIR Target Messier Objects.jpg)

Wir klicken in der Liste “Messier Objects” das Zielobjekt M 45 an (blauer Pfeil) und klicken dann auf den Knopf “Confirm” (gelber Pfeil).
Durch das Klicken auf “Confirm” wird das Zielobjekt mit seinen Koordinaten in unseren Plan names “September” übernommen.

Abbildung 4: Zielobjekt im Plan (ASIAIR Plan with Target.jpg)

Die Koordinaten des Zielobjekts (RA und Decl.) wurden vom ASIAIR automatisch in das Zielobjekt (Detail) übernommen; was wir noch eintragen können ist “Delay First” (blauer Pfeil), wenn die Aufnahmeserie erst später in der Nacht starten soll. Z.B. weil das Zielobjekt erst Stunden später in unserem sichtbaren Himmelsausschnitt erscheint und wir schon längst im Bett liegen.

Dem Zielobjekt müssen wir noch eine sog. “Sequence” zuordnen. Eine neue Sequence zu diesem Target bekommen wir durch Klicken auf die große Fläche mit dem Pluszeichen (gelber Pfeil). So eine Sequence wird auch manchmal “Task” genannt.

Wir klicken mal auf das große Plus-Symbol, damit wir unsere Aufnahme-Sequenz definieren können.

Abbildung 5: Aufname-Sequenz (Google Drive: ASIAIR New Sequence.jpg)

In den Kasten “Create New Sequence” tragen wir ein:

  • Als “Type” (blauer Pfeil) nehmen wir “Light” (Bias, Flat und Dark kommen später).
  • “EXP(s) ist die Belichtungszeit in Sekunden für ein Einzelbild (gelber Pfeil).
  • Als “Gain” nehme ich mal “200” (gelber Pfeil)
  • “Repeat” ist die Anzahl von Einzelbilder, die ich schiessen möchte. (gelber Pfeil)
  • Zum Abschluss klicke ich auf “OK” (roter Pfeil).
  • Wir könnten nun weitere Sequenzen zu diesm Target (M 45) hinzufügen…

Aufnahme-Serie starten

Nun wollen wir diesen Plan starten. Der Plan kann mehrere Zielobjekte enthalten. Wir können ein Target oder mehrere Targets aktivieren (Häckchen links oben in der Kopfzeile) – allerdings können wir ein Target nur aktivieren, wenn dazu eine Sequence definiert wurde.

Abbildung 6: Starten eines Plans (Google Drive: ASIAIR Plan Start.jpg)

Wir befinden uns im Plan-Modus.

Der aktuelle Plan besteht aus 2 Targets, von denen noch keins abgearbeitet wurde (0/2 Blauer Pfeil).

Das erste Target heisst “M 45” und von geplanten 60 Aufnahmen wurde noch keine gemacht (0/60 Blauer Pfeil)

Zum Starten dieses Plans klicken wir auf den großen kreisförmigen Knopf rechts (gelber Pfeil). Der Plan startet dann und arbeitet seine Targets ab. Zu jedem Target ist ja angegeben “sofort” oder nach einer angegeben Wartezeit “Delay First”.

Nach Durchführung des Plans (z.B. am nächsten Morgen) befinden sich die Fotos als FITS-Dateien im eMMC-Speicher der ASIAIR. Wir klicken dann also auf das Symbol “eMMC” in der oberen Leiste und dann auf “Images Management” wir sehen dann den eMMC-Speicher unserer ASIAIR mit den Ordnern “Preview”, “Video”, “Autorun”, “Plan”, “Stacked” und “Live”.

Abbildung 7: Der eMMC-Speicher der ASIAIR (Google Drive: ASIAIR eMMC Speicher.jpg)

Wir schauen in den Ordner “Plan” (blauer Pfeil), wo wir dann unsere Aufnahmen finden.

Aufnahmen weiterbearbeiten: Kalibrieren und Stacken

Die Frage ist jetzt, was wir mit diesen Einzelaufnahmen (Light Frames) machen wollen. Wir müssten sie eigentlich kalibrieren und stacken.

Wir können das direkt auf der ASIAIR machen, was ich in einem separaten Blog-Beitrag “Stacken mit der ASIAIR” beschrieben habe.

Wenn wir das auf unserem Windows-Computer machen wollen, etwa weil wir da spezielle Software für diese Schritte haben, müssten wir die Dateien vom ASIAIR-Computer auf unseren Windows-Computer schieben. Das kann man auf verschiedenen Wegen machen. Eine Möglichkeit wäre es, den ASIAIR-Computer als Netzwerk-Laufwerk vom Windows-Computer aus anzusprechen. Das geht ganz leicht, ist aber nicht das allerschnellste…

Abbildung 8: ASIAIR-Speicher als Windows-Laufwerk (Google Drive: ASIAIR eMMC.jpg)

Wir haben die ASIAIR als Netzwerk-Laufwerk auf unserem Windows-Computer eingerichtet.
Wir sehen jetzt im Windows-Datei-Explorer die ASIAIR-Ordner und können nun Dateien daraus ganz nach Wunsch auf unseren Windows-Computer ziehen und dort evtl. weiterbearbeiten.

Astronomie: Fokussieren mit der ASIAIR Plus

dkracht

Gehört zu: ASIAIR Plus
Siehe auch: Fokussieren mit N.I.N.A., Motor-Fokus, Fotografieren mit ASIAIR, Stacken mit der ASIAIR
Stand: 4.9.2024

Meine Schritte zum Fokussieren mit der ASIAIR Plus und dem EAF

Warnung / Disclaimer

Diesen Blog-Artikel schreibe ich ausschließlich zu meiner persönlichen Dokumentation; quasi als mein elektronisches persönliches Notizbuch. Wenn es Andere nützlich finden, freue ich mich, übernehme aber kleinerlei Garantie für die Richtigkeit bzw. die Fehlerfreiheit meiner Notizen. Insbesondere weise ich darauf hin, dass jeder, der diese meine Notizen benutzt, das auf eigene Gefahr tut.
Wenn Podukteigenschaften beschrieben werden, sind dies ausschließlich meine persönlichen Erfahrungen als Laie mit dem einen Gerät, welches ich bekommen habe.

So gehe ich schrittweise vor:

1) Wir besorgen uns einen ZWO EAF Motor-Fokussierer

2) Wir montiern den Motor-Fokussierer EAF an unserem Okularauszug (OAZ)

3) OAZ grob auf guten Fokus manuell einstellen. Feststellschraube am OAZ lösen. Siehe Foto 1 (unten).

4) Einstellungen des EAF im ASIAIR

Symbolleiste oben: EAF

FINE Anzahl Schritte (z.B. 10)

COARSE  Anzahl Schritte (z.B. 50)

Maximum Schritte (z.B. 60000)

Autofocus

AF Exp – Belichtungszeit (z.B. 2 sec)

AF Stepsize (z.B. 30)

5) Backlash des EAF manuell bestimmen

6) Anfangsstellung des EAF-Fokussierers???

7) EAF ermittelt mit Hilfe einer V-Kurve die optimale Fokus-Einstellung

8) Wann soll die Autofokus-Prozedur automatisch ausgeführt werden?

Das wird eingestellt bei “Symbolleiste oben: EAF” Schaltfläche Autofocus

Run Autofocus in Autorun/Plan

z.B. am Anfang einer Belichtungs-Sequenz

z.B. bei Filterwcchsel

z.B. bei Temperaturwechsel

etc.

Abbildung 1: Einstellungen am Okularauszug (Google Drive: ASIAIR OAZ.jpg)

Manuell Fokussieren mit der ASIAIR-App

Wir gehen in der ASIAIR-App in der rechten Spalte auf “Focus Mode”.

Wir stellen dann im Focus Mode eine Belichtungszeit ein, bei der mehrere Sterne zu sehen sind.

Abbildung 2: ASIAIR Focus Mode (Google Drive: ASIAIR Focus Mode.jpg)

Dann klicken wir in der rechten Spalte auf den kreisrunden Aufnahme-Knopf . Die ASIAIR  macht dann laufend Fotos vom Sternenhimmel mit dieser Belichtungszeit und zeigt sie nacheinander an und es erscheint auf dem aktuellen Bild ein kleineres Quadrat mit einem Plus-Zeichen in der Mitte (Pfeil).

Abbildung 3: ASIAIR Fokussieren (Google Drive: ASIAIR Focus Zoom.jpg)

Wir bewegen das Quadrat mit dem Plus auf den Bereich im Foto, den wir vergrössern wollen (zoomen wollen) und wo wir fokussieren wollen.

Dann klicken wir in der linken Leiste auf das Zoom-Tool (ganz oben) und wir sehen rechts den ausgewählten Ausschnitt mit Sternenscheibchen vergrössert (“Zoom”) und davon weiter rechts eine Kurve mit der gemessenen “Star Size” (Half Flux Diameter).

Abbildung 4: ASIAIR Focus Zoom (Google Drive: ASIAIR Focus Star Size.jpg)

Nun können wir fokussieren in dem wir in der linken Spalte das Fokussier-Tool einblenden (z.B. Slow/Fast, hoch/runter).

Wenn wir mit der manuellen Fokussierung fertig sind, zum Schluss die Belichtungsschleife beenden: Großer quadratischer Knopf in der Mitte der rechten Leiste. Ich fixiere den so gefundenen Focus mit der Feststellschraube am OAZ.

Backlash des EAF bestimmen

Zur Bestimmung des Backlash verwenden wir die Funktionen des manuellen Fokussierens (s.o.).

Da wir auch ausserhalb des guten Fokus arbeiten wollen, sollten wir einen helleren Stern einstellen (z.B. Kochab).

Zuerst stellen wir in der EAF-Konfiguration die Schrittweiten für Fast und Slow ein. in unserem Beispiel nehmen wir 500 und 50.

Wir gehen in der ASIAIR-App auf  den manuellen “Focus Mode” – wie oben beschrieben.

Die Zoom-Schaltfläche stellen  wir auf “Slow” ein.

Damit der Fokus-Motor auch tatsächlich arbeiten kann muss eine evtl. angezogene Feststellschraube am OAZ nun wieder gelöst werden.

Nun klicken wir vorsichtig ein paar Mal auf die Zoom-Schaltfläche “Pfeil nach oben”, damit wir keinen Backlash mehr dieser Richtung haben.
Für diese Aktion ist es hilfreich in der EAF-Konfiguration den Backlash auf den Zoom-Wert von “Slow” einzustellen. Später ändern wir das wieder.

Wenn nun der Backlash in Richtung “oben” weg ist, versuchen wir die umgekehrte Richtung (Pleil nach “unten”) – wieder mit der Schrittweite “Slow” (in unserem Beispiel also 10 Schritte). Wir klicken und zählen nach wievielen Klicks sich die Sterne verändern. Angenommen, die Sterngröße verändert sich sichtbar erst nach dem 9-ten Schritt, so haben wir einen Backlash in dieser Richtung von 9 x 10 Schritten, also 90 Schritte.

Dann die Belichtungsschleife beenden: Großer quadratischer Knopf in der Mitte der rechten Leiste.

Diesen so gefundenen Backlash-Wert stellen wir dann letzlich in der EAF-Konfiguration ein. Danach können wir dort nun auch wieder die gewünschten Schrittweiten für “Slow” und “Fast” einstellen.

Autofocus (AF) mit der ASIAIR-App

Nachdem die Parameter für den EAF (Backlash, Slow, Fast) nun richtig eingestellt sind, sollte der Autofokus auch funktionieren.

Allerdings benötige ich die Funktion Autofocus zur Zeit nicht, da ein einmal (wie oben beschrieben) per ASIAIR-App motorisch eingestellter Focus für meine Astrofotogrfie völlig ausreichend ist.

Den Autofocus kann man wie folgt einrichteten:

  • Ein Gesichtsfeld mit helleren Sternen anfahren.
  • In der ASIAIR-App in der rechten Leiste auf “Focus” klicken.
  • Die Belichtungszeit einstellen.
  • Die Belichtungssequenz starten:  Großer runder Knopf in der Mitte der rechten Leiste.
  • Ggf. Feststellschaube am OAZ lösen
  • ASIAIR-Autofocus starten: Linke Leiste Knopf mit der Beschriftung “AF”
  • Im ASIAIR startet dann eine Prozedur (V-Kurve), die einige Minuten dauern kann.