Präzise und effiziente Charakterisierung von verschränkten Mehrteilchen-Zuständen und von Quantengattern mit gespeicherten Ionen

• Antragsteller: Professor Dr. Otfried Gühne; Professor Dr. Christof Wunderlich
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253572242

Die Quantenphysik und insbesondere Verschränkung ermöglichen sichere Kommunikation, präzisere Messverfahren, effizientere Simulationen physikalischer Systeme und schnellere Rechenalgorithmen. Darüber hinaus ist Verschränkung ein hoch interessantes und wichtiges Thema der Quantenphysik, da es wohl jenes Phänomen ist, welches die Quantenwelt am dramatischsten von der klassischen Welt unterscheidet. Das bis heute erfolgreichste experimentelle System zur kontrollierten Erzeugung von Verschränkung sind gespeicherte Ionen. In diesem Projekt werden in enger Kooperation von Theorie und Experiment Methoden entwickelt, um verschränkte Mehrteilchen-Zustände und verschränkungserzeugende Quanten-Gatter effizient experimentell zu charakterisieren. Insbesondere werden Mehrteilchen-Quantengatter und mehrteilchen-verschränkte Zustände untersucht, die mit Hilfe von Magnetic Gradient Induced Coupling (MAGIC) zwischen gespeicherten Ionen experimentell hergestellt werden. Dieses Verfahren nutzt die durch MAGIC erzeugte langreichweitige Wechselwirkung zwischen Ionen. Es ermöglicht die Ausführung effizienter Quantengatter mit Radiofrequenz-Strahlung und erfordert keine Kühlung der Ionen in den Bewegungs-Grundzustand. Dies vereinfacht die Realisierung von Mehrteilchen-Zuständen und -Quantengattern. Für Anwendungen ist es entscheidend, dass die Zustandspräparation, die Ausführung einzelner Rechenschritte (Quantengatter) und die Detektion des Endzustands reproduzierbar mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden. Jedoch stellt die präzise experimentelle Charakterisierung von Zuständen und Gattern immer noch ein Problem dar, da die meisten Methoden sehr ressourcen-intensiv oder nur für Spezialfälle anwendbar sind. Im Rahmen dieses Projektes wird der Einfluss von systematischen und statistischen Fehlern auf experimentelle Quantengatter untersucht, und es werden effiziente Werkzeuge entwickelt um diese zu charakterisieren. Toffoli-Gatter mit drei Qubits, universelle Grundbausteine für beliebige Quantenalgorithmen, werden mittels Multiqubit-Spin-Spin-Kopplung basierend auf MAGIC experimentell realisiert und mit den hier neu entwickelten Methoden charakterisiert. Es werden neue Verschränkungskriterien entwickelt, die effizient experimentell anwendbar sind. Diese werden dann benutzt um erstmalig experimentell erzeugte gewichtete Graphenzustände von N Ionen (N zwischen 3 und 9) zu charakterisieren. Darüber hinaus verbessern wir die zustands-selektive Detektion von Hyperfein-Qubits durch die exakte Beschreibung aller Vorgänge und deren Simulation. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse sind übertragbar auf eine Vielzahl anderer Experimente zur Quanteninformationsverarbeitung und damit universell für viele physikalische Systeme einsetzbar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen