Fortgeschrittene Quantenlogikkontrolle von Molekularionen

• Antragsteller: Dr. Fabian Wolf
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550848493

In diesem Projekt wollen wir im Rahmen einer neuen Kollaboration von drei Forschungsgruppen der ETH Zürich (ETH), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig (PTB) und der Universität Innsbruck (UIBK) neue Techniken zur molekularen Quantenkontrolle entwickeln. Die präzise Quantenkontrolle über alle Freiheitsgrade einzelner Moleküle stellt eine große Herausforderung dar, hat aber das Potenzial, Präzisionstests grundlegender Theorien, die Suche nach neuer Physik und die Entwicklung neuer Paradigmen der Quanteninformationsverarbeitung zu ermöglichen. Die Quantenkontrolle einzelner molekularer Ionen wurde vor kurzem erreicht, zum Teil durch Pionierarbeit der Gruppen des Konsortiums. Unser Ziel ist es, dieses Instrumentarium zu erweitern und zu verbessern. Dazu gehört die Ausweitung auf zusätzliche Molekülarten, höhere Rotationszustände und mehrere Molekülionen. Dadurch nähern wir uns den langfristigen Zielen der einzelnen Gruppen: (i) Hochpräzisionsspektroskopie des Wasserstoffmolekülions (ETH), (ii) Test der Symmetrieverletzung mit verschränkten polaren Molekülen (PTB), (iii) Demonstration der grundlegenden Bausteine für die Quanteninformationsverarbeitung mit Molekülionen (UIBK). Das breite Spektrum an Fachwissen, das zur Erreichung dieser Ziele erforderlich ist und von der Molekularphysik über Präzisionsmessungen bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung reicht, macht diese Vorhaben besonders anspruchsvoll. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit wird diese Herausforderung adressiert, indem das komplementäre Fachwissen der Forschungsgruppen genutzt wird und drei verschiedene Molekülionen-Experimentaufbauten zum Einsatz kommen, um die Entwicklung zu beschleunigen und allgemein anwendbare Werkzeuge bereitzustellen. Die verschiedenen Molekularionen, die von den Forschungsgruppen verwendet werden (H2+, MgH+, CaH+, CaOH+), haben komplementäre Eigenschaften. Dies ermöglicht es uns, (i) neue Techniken zunächst für das am besten geeignete System zu entwickeln und sie anschließend an die anderen Spezies anzupassen und (ii) komplementäre Techniken in einem vergleichenden Ansatz zu verfolgen. Die Entwicklung dieser Techniken wird uns in die Lage versetzen, die folgenden Hauptziele im Rahmen dieses Projektvorschlags zu verwirklichen: (i) Deterministische Präparation eines reinen Quantenzustands eines nicht-polaren Moleküls unter ausschließlicher Verwendung von Quantenlogik-Spektroskopietechniken; (ii) Rotations-Quantenlogik-Spektroskopie des Wasserstoff-Molekülions; (iii) Erzeugung eines verschränkten, dekohärenzfreien Unterraumzustands von zwei Molekülionen; (iv) Implementierung von Quantenfehlerkorrektur an einem Molekülion. Diese Errungenschaften werden den Stand der Technik beträchtlich erweitern. Sie stellen wichtige Meilensteine auf dem Weg zu den langfristigen Zielen der Gruppe dar und wären allgemein auf die Quantenkontrolle molekularer Ionen anwendbar, wodurch neue Werkzeuge für dieses wichtige Forschungsgebiet zur Verfügung stehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Dr. Daniel Kienzler; Professor Philipp Schindler, Ph.D.