Ionen-Spin-"Molekül" - Ein Vielteilchensystem nach Maß für die effiziente Erzeugung und den Nachweis von verschränkten Zuständen

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Ein neuartiges physikalisches System – in einem elektrodynamischen Käfig gefangene Ionen mit langreichweitiger Wechselwirkung, ein Ionen-Spin-Molekül – soll erstmalig experimentell verwirklicht werden. Die Anzahl der Konstituenten eines solchen Ionen-Spin-Moleküls als auch deren Kopplungsstärke kann vom Experimentator eingestellt werden, darüber hinaus können die Ionen einzeln adressiert werden. Dieses Prototypsystem ist geeignet zur Untersuchung vielfältiger physikalischer Fragestellungen und eröffnet insbesondere neue Möglichkeiten zur effizienten Erzeugung und Analyse von großen verschränkten Systemen. Verschränkung bedeutet hier das Vorhandensein von nicht-klassischen Korrelationen, die eine quantenmechanische Beschreibung erfordern. Zunächst soll erstmalig eine besondere Klasse von verschränkten Zuständen massiver Teilchen, die sog. Cluster-Zustände erzeugt werden. Theoretische Untersuchungen zeigen, dass die Lebensdauer dieser Zustände nicht von der Größe des Systems (d. h. hier der Zahl der Konstituenten) abhängen sollte – eine Aussage, die im Widerspruch zur verbreiteten Annahme steht, dass nicht-klassische Korrelationen mit wachsender Größe eines Systems keine Rolle mehr spielen. Cluster-Zustände bilden auch die Basis für einen One-Way-Quantencomputer, einem neuen Paradigma für die Realisierung eines Quantenrechners. Der effiziente experimentelle Nachweis der Verschränkung von Vielteilchensystemen ist ein grundlegendes offenes Problem, dem sich dieses Vorhaben stellt. Die angestrebten Untersuchungen sind wichtig für die Quanten-Informationsverarbeitung, von grundlegendem Interesse für das bessere Verständnis des Verhältnisses zwischen Quantenwelt und klassischer Welt und weisen zahlreiche Verknüpfungen zu anderen Bereichen der Physik, Mathematik und Informatik auf.