Ionen-Spin-"Molekül" - Ein Vielteilchensystem nach Maß für die effiziente Erzeugung und den Nachweis von verschränkten Zuständen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das hier erstmals verwirklichte Ionen-Spin-Molekül, mit einer auf Magnetic Gradient Induced Coupling (MAGIC) beruhenden Spin-Spin-Wechselwirkung zeichnet sich insbesondere durch folgende Merkmale aus: 1) Alle Gatteroperationen basierend auf MAGIC wurden mit Mikrowellenstrahlung ausgeführt, so dass technische und grundlegende physikalische Schwierigkeiten, die bei der Nutzung von Laserlicht für quantenlogische Operationen auftreten, umgangen werden. 2) Mit Hilfe von MAGIC wurden bedingte Quantengatter mit zwei Ionen ausgeführt und deren nicht-klassische Korrelationen nachgewiesen. 3) 2-Qubit-Quantengatter wurden auch mit nicht benachbarten Ionen unter Ausnutzung einer langreichweitigen Kopplung zwischen den Qubits ausgeführt. 4) Neben der Anzahl der wechselwirkenden Spins kann auch die Kopplungsstärke durch den Experimentator eingestellt werden. 5) Diese quantenlogischen Operationen gelangen mit thermisch angeregten Bewegungsfreiheitsgraden der Ionen, d. h. auf die Kühlung in oder nahe an den Grundzustand kann verzichtet werden. 6) Die Adressierung einzelner Ionen konnte mit bis dahin nicht gekannter Genauigkeit demonstriert werden. Das hier demonstrierte Ionen-Spin-Molekül kann eingesetzt werden, um grundlegende Fragen der Quantenphysik zu untersuchen. Beispielhaft seien hier genannt: die kontrollierte Erzeugung von verschränkten Systemen variabler Größe, die Analyse ihrer statischen Eigenschaften und die Beobachtung ihrer Dynamik sowie die Simulation spezifischer anderer, schwer zu kontrollierender Quantensysteme. Für die Entwicklung neuer Methoden für skalierbare Quanten-Informationsverarbeitung sind Ionen-Spin-Moleküle ebenfalls vielversprechend, insbesondere im Bereich des Ein-Weg-Quantencomputers.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Individual addressing of trapped ions and coupling of motional and spin states using rf radiation, Physical Review Letters 102, 073004 (2009)
M. Johanning, A. Braun, N. Timoney, V. Elman, W. Neuhauser, Ch. Wunderlich
- Quantum Simulations with Cold Trapped Ions, Journal of Physics B: At. Mol. Opt. Phys. 42 154009 (2009)
M. Johanning, A. Varón, Ch. Wunderlich
- Two-dimensional cluster-state preparation with linear ion traps, Physical Review A 79, 052324 (2009)
Harald Wunderlich, Ch. Wunderlich, K. Singer, F. Schmidt-Kaler
- Quantum gates and memory using microwave-dressed states, Nature 476, 185-188 (2011)
N. Timoney, I. Baumgart, M. Johanning, A. F. Varon, M. B. Plenio, A. Retzker, and Ch. Wunderlich
- Resonance enhanced isotope-selective photoionization of YbI for ion trap loading, Applied Physics B: Lasers and Optics 103, 327-338 (2011)
M. Johanning, A. Braun, D. Eiteneuer, C. Paape, Ch. Balzer, W. Neuhauser, and Ch. Wunderlich
- A designer spin-pseudo-molecule implemented with trapped ions in a magnetic gradient, Physical Review Letters 108, 220502 (2012)
A. Khromova, Ch. Piltz, B. Scharfenberger, T. F. Gloger, M. Johanning, A. F. Varón, and Ch. Wunderlich
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.220502)
