In einer Paul-Falle gespeicherte, laser-gekühlte atomare Ionen\nkönnen als elementare quantenmechanische Schalteinheiten für die\nQuanteninformationsverarbeitung (QIV) genutzt werden. Hierfür muss\ndie Adressierung einzelner Ionen und die Wechselwirkung der Ionen\nuntereinander gewährleistet werden. Hierzu wurde ein Konzept\n(magnetic gradient induced coupling, MAGIC) vorgeschlagen, welches\neinen Magnetfeldgradienten ausnutzt, um Ionen im Frequenzraum\nmittels Strahlung im Radiofrequenz- oder Mikrowellen-Bereich zu\nadressieren. Dabei wird die magnetfeldabhängige Aufspaltung der\ninneren Zustände der Ionen ausgenutzt. Zusätzlich kann eine\nSpin-Spin Kopplung zwischen den gespeicherten Ionen in einer Kette\nrealisiert werden.\n\nIn dieser Arbeit werden erste Ergebnisse präsentiert um eine\nOberflächenfalle für die QIV im Zusammenhang mit dem Konzept MAGIC\nnutzbar zu machen. Diese neuartige Falle ist eine miniaturisierte,\nsegmentierte Paul-Falle, bei der die zum Speichern von Ionen\nnotwendige Elektrodenstruktur auf eine einzige Ebene verlagert\nwerden kann und Ionen oberhalb dieser Ebene gespeichert werden\nkönnen. Es wird die Infrastruktur für die Herstellung einer\nOberflächenfalle an unserem Institut geschaffen und mittels\noptischer Lithographie und Galvanik wird ein Fallenchip mit einer\nElektrodendicke von 8,5 µm mit einer Oberflächenrauheit von\n20-30 nm produziert. Dieser beinhaltet eine\nneuartige stromdurchflossene Struktur, die es erlaubt einen räumlich\nund zeitlich variablen Magnetfeldgradienten am Ort der Ionen zu\nerzeugen. Das Speichern von 172Yb+ Ionen über einige Stunden\nhinweg wird demonstriert. Mit Hilfe der Radiofrequenz-optischen\nDoppelresonanz-Spektroskopie wird der Magnetfeldgradient vermessen.\nErstmals ist an einer Oberflächenfalle eine Adressierung im\nFrequenzraum von drei Ionen mittels angelegtem Gradienten\ndemonstriert worden. Die Güte der individuellen Adressierung der\nIonen beträgt F = 0,52(1). Diese ist aktuell durch Imperfektionen\nder zuführenden Leiterbahnen begrenzt. In naher Zukunft sollten\nGradienten um 20 T/m realisierbar sein, was zu einer Güte nahe 1\nführen sollte.
In einer Paul-Falle gespeicherte, laser-gekühlte atomare Ionen\nkönnen als elementare quantenmechanische Schalteinheiten für die\nQuanteninformationsverarbeitung (QIV) genutzt werden. Hierfür muss\ndie Adressierung einzelner Ionen und die Wechselwirkung der Ionen\nuntereinander gewährleistet werden. Hierzu wurde ein Konzept\n(magnetic gradient induced coupling, MAGIC) vorgeschlagen, welches\neinen Magnetfeldgradienten ausnutzt, um Ionen im Frequenzraum\nmittels Strahlung im Radiofrequenz- oder Mikrowellen-Bereich zu\nadressieren. Dabei wird die magnetfeldabhängige Aufspaltung der\ninneren Zustände der Ionen ausgenutzt. Zusätzlich kann eine\nSpin-Spin Kopplung zwischen den gespeicherten Ionen in einer Kette\nrealisiert werden.\n\nIn dieser Arbeit werden erste Ergebnisse präsentiert um eine\nOberflächenfalle für die QIV im Zusammenhang mit dem Konzept MAGIC\nnutzbar zu machen. Diese neuartige Falle ist eine miniaturisierte,\nsegmentierte Paul-Falle, bei der die zum Speichern von Ionen\nnotwendige Elektrodenstruktur auf eine einzige Ebene verlagert\nwerden kann und Ionen oberhalb dieser Ebene gespeichert werden\nkönnen. Es wird die Infrastruktur für die Herstellung einer\nOberflächenfalle an unserem Institut geschaffen und mittels\noptischer Lithographie und Galvanik wird ein Fallenchip mit einer\nElektrodendicke von 8,5 µm mit einer Oberflächenrauheit von\n20-30 nm produziert. Dieser beinhaltet eine\nneuartige stromdurchflossene Struktur, die es erlaubt einen räumlich\nund zeitlich variablen Magnetfeldgradienten am Ort der Ionen zu\nerzeugen. Das Speichern von 172Yb+ Ionen über einige Stunden\nhinweg wird demonstriert. Mit Hilfe der Radiofrequenz-optischen\nDoppelresonanz-Spektroskopie wird der Magnetfeldgradient vermessen.\nErstmals ist an einer Oberflächenfalle eine Adressierung im\nFrequenzraum von drei Ionen mittels angelegtem Gradienten\ndemonstriert worden. Die Güte der individuellen Adressierung der\nIonen beträgt F = 0,52(1). Diese ist aktuell durch Imperfektionen\nder zuführenden Leiterbahnen begrenzt. In naher Zukunft sollten\nGradienten um 20 T/m realisierbar sein, was zu einer Güte nahe 1\nführen sollte.
Lasergekühlte Ionenketten in mikrostrukturierten Paul-Fallen (Mikrofallen) bieten ein großes Potential für Anwendungen in den Quanteninformationswissenschaften. Sie können in einer dekohärenzarmen Umgebung präpariert und manipuliert, und ihre Zustände mit einer Effizienz von fast 100% detektiert werden. Mit zusätzlichen Magnetfeldgradienten ist es möglich, die Ionen im Frequenzraum zu adressieren und zu koppeln (MAGIC-Methode - MAgnetic Gradient Induced Coupling).\nIn dieser Arbeit wurde eine neuartige Mikrofalle mit integrierten Elektromagneten entwickelt, in Betrieb genommen und charakterisiert. Das durch die integrierten Elektromagnete erzeugte steuerbare Magnetfeld wurde darauf optimiert, am Ort der Ionen einen möglichst großen Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Die Mikrofalle besteht aus drei übereinander liegenden Lagen. Die äußeren Lagen erzeugen das Fallenpotential, durch die mittlere Fallenlage wird der Magnetfeldgradient erzeugt. Mit insgesamt 33 Elektrodenpaaren können die Ionen entlang der Fallenachse bewegt und ihre Spin-Spin Kopplung kontrolliert werden. Die Mikrofalle wurde auf einem mit Dickschichttechnik bedruckten Keramikblock montiert, der sowohl alle elektrischen Anschlüsse für die Mikrofalle bereit stellt, als auch als Vakuumdurchführung dient. Mit dieser für Anwendungen mit Ionenfallen neuartigen Technologie wurde ein Vakuum im niedrigen 10-11 mbar-Bereich erzielt. In der Mikrofalle wurden 172Yb+-Ionen gespeichert, über 2mm transportiert und im Magnetfeldgradienten der Elektromagnete manipuliert. Einzelne Ionen wurden als Magnetfeldsonden benutzt, auf diese Weise wurden relative Genauigkeiten von Delta B/B0 = 7 · 10-6 erreicht. Die Adressierung zweier Ionen im Magnetfeldgradienten mittels der MAGIC-Methode wurde demonstriert.
An in Paul-Fallen gespeicherten Ionen lassen sich quantenmechanische Effekte untersuchen. Hierzu werden die internen Zustände der Ionen manipuliert und anschließend durch Fluoreszenzmessungen detektiert. Diese Experimente können für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung genutzt werden, Ziele hierbei sind beispielsweise die Simulation von Quantensystemen und die Verwirklichung eines Quantencomputers. Im Rahmen dieser Arbeit wird als Apparatur zum Speichern von Ytterbium-Ionen eine mikrostrukturierte segmentierte Paul-Falle verwendet. Durch den in die Falle integrierten Elektromagneten ist es möglich, die Ionen zu koppeln (Magnetic Gradient Induced Coupling - MAGIC) und mittels Mikrowellenstrahlung zu adressieren. Durch die segmentierten Elektroden können die Ionen innerhalb der Falle kontrolliert bewegt werden und es lässt sich deren Wechselwirkung einstellen. Ein mit Dickschichttechnik bedruckter Keramikblock dient als kompakte Vakuumdurchführung der über siebzig elektrischen Signale, die für den Betrieb der Falle benötigt werden. Alle weiteren für die Versuchsapparatur benötigten Komponenten wie der Vakuumrezipient und die Laserstrahlquellen wurden aufgebaut. Für die Erzeugung von Laserstrahlung bei 369 nm durch Frequenzverdopplung wird erstmals ein Bismuth-Triborat-Kristall genutzt. An den gespeicherten Ionen werden kohärente Rabi- und Ramsey-Messungen durchgeführt. Durch Messung der Energiedifferenz der einzelnen Zeeman-Niveaus lässt sich das Magnetfeld am Ort des Ions mit einer relativen Unsicherheit von einem ppm bestimmen.
In einer Paulfalle gespeicherte Ionen sind derzeit einer der vielversprechendsten\nKandidaten für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV). Die dafür in dem hier\nbeschriebenen Experiment verwendete Methode wurde im Jahre 2001 von F. Mintert\nund Ch. Wunderlich vorgestellt. Dabei wird auf atomare Übergänge im Mikrowellenoder\nRadiowellenbereich zurückgegriffen, wobei ein Magnetfeldgradient entlang einer\nIonenkette die Entartung der Übergangsfrequenzen verschiedener Ionen aufhebt\nund so für die Unterscheidbarkeit der einzelnen Ionen im Frequenzraum sorgt; weiterhin\nwird sichergestellt, dass interne und externe Freiheitsgrade der Ionenkette gekoppelt\nwerden können. Diese Methode wird MAGIC (MAgnetic Gradient Induced\nCoupling) genannt. Die Durchführung der Experimente erforderte zudem den Aufbau\nder Versuchsapparatur bestehend aus Laserquellen, Lambdameter, Vakuum- und Mikrowellensystem,\nsowie aus Abbildungs- und Detektionseinheiten, als Voraussetzung\nfür die erfolgreiche Durchführung der hier vorstellten Experimente. Für die Versuche\nist es von Vorteil, die Ionen in einem Zustand nahe des Grundzustands der Schwingung\nzu präparieren, weil dies dazu beiträgt, die Dephasierung bei der Manipulation\nmit Mikrowellen einzudämmen. Bei dieser sogenannten Seitenbandkühlung in den\nsub-Doppler Bereich wird ausgenutzt, dass sich die Ionen in guter Näherung in einem\nharmonischen Oszillatorpotential befinden und deshalb nur diskrete Schwingungszustände\nbesetzt werden können, deren Abstand der axialen Fallenfrequenz entspricht.\nDurch Anregung mit Hilfe der Mikrowelle, die um ein solches Schwingungsquant\nzu niedrigeren Energien von der Resonanz verstimmt ist, verliert das Ion pro Zyklus\nmit hoher Wahrscheinlichkeit die entsprechende Energie. Durch mehrfachen Durchlauf\ndes Kühlzyklusses lässt sich die durchschnittliche Phononenzahl und somit die\nTemperatur des Ions effektiv reduzieren und das Ion kann in einem Zustand nahe des\nGrundzustands der Schwingung präpariert werden. Als Seitenbandübergang wurde ein\nHyperfein-Übergang des Isotops 171Yb+ mit einer Übergangsfrequenz von etwa 12.6\nGHz verwendet. Prinzipiell ist der Impulsübertrag von Mikrowellenphotonen zu gering\num die Ionen effektiv zu kühlen; unter Anwendung von MAGIC wird dies jedoch\nmöglich. In dieser Arbeit wurden die für die Seitenbandkühlung relevanten Parameter\ncharakterisiert, was die Heizrate einschließt, welche dem Kühlprozess entgegenwirkt.\nDabei wurde die durchschnittliche Phononenzahl durch Seitenbandkühlung von über\n100 Phononen auf 4(4) reduziert, was mit dem Grundzustand verträglich ist.\nFür die Verifizierung der Ergebnisse wurde die erfolgreiche Seitenbandkühlung mit\nverschiedenen Methoden übereinstimmend nachgewiesen. Bei dieser Arbeit handelt es\nsich nach der Kenntnis des Autors um die erste detaillierte Behandlung der Seitenbandkühlung\nvon Ionen in einem statischen Magnetfeldgradienten mittels Mikrowellen.\n
In einer Paul-Falle gespeicherte Ionen können für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) als elementare Prozesseinheiten genutzt werden. Hierzu ist die Fähigkeit der Manipulation der lasergekühlten Ionen wichtig. Für viele Qubit-Operationen müssen die Ionen in den Schwingungsgrundzustand gekühlt werden. Mit der, in dieser Arbeit umgesetzten, Methode der Raman-Seitenbandkühlung konnte ein einzelnes Ion bis in den Schwingungsgrundzustand gekühlt werden. Im Vergleich zu Laserlicht bieten Mikrowellenfelder viele Vorteile im Hinblick auf Stabilisierung und Skalierung des Systems. Ein durchgeführter Randomized Benchmarking-Test unterstreicht das enorme Potential, das in der Manipulation von gespeicherten Ionen mit Mikrowellenfeldern liegt. Dabei wurde gezeigt, dass der Fehler pro Rechenschritt kleiner als 4 · 10-4 ist. Die sehr kurzen Kohärenzzeiten T2, der mit den Mikrowellenfeldern genutzten magnetfeldabhängigen Qubits, limitieren die Umsetzung dieses Konzepts. Veränderungen der umgebenden elektro-magnetischen Felder führen zu Dephasierung und begrenzen die mögliche Zeit für Gatteroperationen. In dieser Arbeit wird eine Methode angewendet, die durch die Kombination von inneren atomaren Zuständen und Mikrowellenfeldern so genannte Dressed States erzeugt, die sehr widerstandsfähig gegen die Einflüsse der Umgebung sind. Ein Dressed States-Qubit erreicht im Vergleich zu atomaren magnetfeldabhängigen Qubits eine um mehrere Größenordnungen längere Kohärenzzeit von einigen Sekunden. Die Kohärenzzeit eines Sensors ist in der Quantentechnologie die ausschlaggebende Größe, die die effektive und präzise Messung von Magnetfeldern begrenzt. Durch ein neues Magnetometrie-Protokoll kann für ein Dressed States-Qubit eine bisher nicht erreichte Magnetfeldsensitivität von 4,6 pT/√Hz bei 14 MHz erzielt werden, die im Bereich des Standard-Quanten-Limits liegt. Die Methode verbindet dabei die hohe Magnetfeldsensitivität mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich. Der Vorteil dieses neuen Schemas, gegenüber den gängigen Verfahren, ist, dass eine sehr hohe Empfindlichkeit für spektrale Komponenten des Magnetfeldes über einen sehr großen Frequenzbereich erreicht werden kann.
Ziel der hier vorliegenden Arbeit war es, ein einzelnes in einer Ionenfalle gespeichertes Kalziumion als Meßsonde fuer das elektromagnetische Feld eines optischen Resonators zu verwenden. Bei einer Anregungswellenlaenge von 397 nm konnte das Feld mit einer Aufl¨osung von 60 nm unterhalb der Beugungsgrenze vermessen werden. Die untere Grenze der Aufloesung wird bei Verwendung eines gespeicherten Ions nur durch die Ausdehnung der Wellenfunktion des Ions im Schwingungsgrundzustand des Fallenpotentials bestimmt und kann bei Kuehlung des Ions in den Schwingungsgrundzustand weniger als 10 nm betragen. Die Aufloesungsgrenze von 60 nm war aufgrund der Doppler-Kuehlung durch die Restbewegung des Ions bestimmt. Aufloesungen unterhalb der Beugungsgrenze werden auch bei der Nahfeld- Mikroskopie erreicht, wobei die Aufl¨osung durch die Groeße der Meßsonde gegeben ist. Durch die Verwendung einzelner Molekuele als Meßsonde wurden Aufloesungen unter 100 nm erzielt. Gemessen wird die Intensitaetsverteilung des optischen Nahfeldes durch Detektion des Fluoreszenzlichtes, das vom Molek¨ul in Abhaengigkeit seiner Position emittiert wird. Um die Position des Molekuels relativ zur Probe kontrollieren zu koennen, muß das Molekuel in einer Kristallmatrix oder auf einem Substrat fixiert werden mit dem Nebeneffekt, daß das zu messende Feld veraendert wird. Diese unerwuenschte Beeinflussung der Meßgr¨oße durch die Messung wird bei der Vermessung des Feldes mit einem einzelnen Ion in einer Ionenfalle vermieden. Das zu diesem Zweck entwickelte System aus linearer Ionenfalle und optischem Resonator ermoeglicht es, die relative Position zwischen Ion und elektromagnetischem Feld auf Bruchteile der Wellenl¨ange des Feldes festzulegen und so die unverfaelschte Feldverteilung mit hoher Aufloesung dreidimensional zu vermessen. Die genaue relative Positionierung von Ion und Resonatormode impliziert dabei die praezise Kontrolle der Kopplung zwischen einem einzelnen Ion und dem elektromagnetischen Feld einer Resonatormode. Das hier vorgestellte System bietet demzufolge auch ideale Voraussetzungen, um Resonator-Quantenelektrodynamik mit einzelnen Ionen durchzufuehren. Experimente, die die Wechselwirkung einzelner Atome mit dem elektromagnetischen Feld einer Resonatormode untersuchen, verwenden bis heute Atome, die den Resonator durchqueren oder im Umkehrpunkt eines atomaren Springbrunnens fuer wenige Millisekunden im Resonatorfeld verweilen. Diese Messungen beinhalten also immer eine Mittelung ueber die tats¨achlich im Resonatorfeld befindlichen Atome und ihre unterschiedliche Kopplung an das Resonatorfeld. Die Atomstatistik zerstoert in diesen Experimenten im allgemeinen nichtklassische Effekte, die in einem idealen System aus einzelnem Atom und Resonatorfeld theoretisch er- wartet werden. Die hier beschriebene Anordnung erlaubt dagegen, wie die dreidimensionale Vermessung einer Feldmode zeigt, daß eine exakte Kontrolle ueber die Ion-Feld Kopplung bei nahezu unbegrenzter Speicherzeit des Ions im Resonatorfeld erreicht wird. Auf den erzielten Ergebnissen aufbauend koennen Experimente im Bereich der starken Ion-Feld Kopplung durchgefuehrt werden, bei denen die oben erwaehnten Nachteile bisheriger Experimente nicht mehr vorhanden sind. Erstmals eroeffnet sich die Meoglichkeit der deterministischen Erzeugung von Ein- Photonen-Pulsen und der Konstruktion eines Lasers, der mit nur einem einzigen Ion als aktivem Medium betrieben werden kann. Zur Lokalisierung eines einzelnen Kalziumions im Resonatorfeld, wurde eine lineare Falle vom Typ eines Quadrupol-Massenfilters konstruiert. Entlang ihrer Achse ist diese Falle in mehrere Speicherzonen unterteilt, in denen jeweils ein einzelnes Kalziumion oder auch eine Kalziumionenwolke gespeichert werden kann. In einer Speicherzone wird die Falle geladen, waehrend die Experimente in einer 2,5 cm entfernten Zone durchgefuehrt werden, die zwischen den Spiegeln eines Resonators liegt. Auf diese Weise wird eine Aufladung der Spiegel und eine Bedampfung der hochreflektierenden Beschichtung waehrend des Ladens verhindert. Durch die Anordnung mehrerer Gleichspannungselektroden entlang der Fallenachse koennen Ionenwolken mit hoher Effzienz von der Laderegion in den Bereich zwischen den Resonatorspiegeln verschoben werden. Das Anlegen von Spannungspulsen an die Speicherelektroden der Falle ermoeglicht es, die Ionenzahl auf die gewuenschte Anzahl zu reduzieren. Die K¨uhlung der Ionen erfolgt ¨uber Dopplerkuehlung auf dem 2S1/2 ↔ 2P1/2 ¨Ubergang bei der Wellenl¨ange λ = 397 nm. Ein einzelnes Ion laeßt sich nun im Minimum des Fallenpotentials auf besser als λ/10 lokalisieren. Der optische Resonator besteht aus sphaerischen Spiegeln, die eine fuer 397 nm hochreflektierende dielektrische Beschichtung besitzen. Mit einer Finesse von 3000 und einem Spiegelabstand von 6 mm, lassen sich mit diesem Resonator Experimente im Bereich der schwachen Kopplung durchf¨uhren. Fuer die Durchfuehrung der zuvor erw¨ahnten Experimente im Bereich der starken Kopplung muß ein Resonator verwendet werden, dessen Spiegel bei 866 nm beschichtet sind und der eine Finesse von 30000 bis 300000 aufweist. Die Resonatorl¨ange wird aktiv stabilisiert, so daß die Transmission fuer einen eingekoppelten Laser bei 397 nm maximal wird. Auf diese Weise kann ein im Resonatorfeld befindliches Ion ueber die Resonatormode angeregt werden und das Fluoreszenzlicht des Ions, das den Resonator seitlich verlaeßt, kann zur Bestim- mung der Ion-Feld Wechselwirkung gemessen werden. Die Intensitaet der detektierten Fluoreszenz ist direkt proportional zur Intensit¨at des Resonatorfeldes, d. h. aus ihr kann die Intensitaet des optischen Feldes und die Position des Ions im Resonatorfeld bestimmt werden. Die Kopplung zwischen Ion und Resonatorfeld laeßt sich auf zwei Weisen einstellen. Zum einen kann das Ion durch das Anlegen einer Gleichspannung entlang der mikrobewegungsfreien Fallenachse verschoben werden. Die Verschiebung laeßt sich reproduzierbar einstellen, so daß die Lokalisierung des Ions auf besser als λ/10 waehrend des Verschiebevorgangs erhalten bleibt. Zum anderen ist der Resonator auf einem Piezotisch positioniert, so daß bei raeumlich fest lokalisiertem Ion jeder Punkt der Intensitaetsverteilung im Resonator mit dem Ort des Ions zum Ueberlapp gebracht werden kann. Eine Positionierung des Resonators relativ zum Ion ist noetig, da bei Ionenverschiebungen senkrecht zur Fallenachse die Lokalisierung des Ions auf besser als λ/10 aufgrund der Mikrobewegung im Fallenpotential nicht mehr erreicht werden kann. Die experimentelle Realisierung einer vollstaendigen Kontrolle ¨uber die Ion-Feld Kopplung wird eindrucksvoll demonstriert durch die Verwendung eines einzelnen Ions als nanoskopische Meßsonde zur Vermessung der Intensitaetsverteilung verschiedener Resonatormoden. Sowohl die Stehwellenverteilung entlang der optischen Achse als auch die transversale Verteilung einiger TEM Moden konnte mit hoher Aufloesung vermessen werden. Neben der Kontrolle der Kopplung eines einzelnen Ions ist es auch moeglich, einen Ionenkristall entlang der Achse durch die Resonatormode zu schieben. Hierzu wurde ein Zwei-Ionen-Kristall transversal durch eine TEM01 Mode geschoben. Die gemessene Flureszenzrate als Funktion der Schwerpunktsposition des Ionenkristalls zeigt, daß beide Ionen in je einem der Maxima der TEM01 Mode gleichzeitig lokalisiert werden koennen. Diese Kombination eroeffnet Anwendungen im Bereich der Quanteninformation. Realisierbar ist die Verschraenkung von Ionen, die Uebertragung eines Quantenzustandes von einem Ion auf das andere und die Ausfuehrung eines 2-Bit-Quanten-Gatters. Darueber hinaus ist es aufgrund der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse vorstellbar, eine Ionenkette Ion fuer Ion durch die TEM00 Mode zu schieben und so Quantenzustaende von einem Ion auf ein anderes zu ¨ubertragen. Ebenso ist eine Uebertragung von Quantenzustaenden ueber große Entfernungen, d. h. von einem Resonator zu einem anderen, in den Bereich des Moeglichen gerueckt.
Ein Quantencomputer, der die Konzepte der digitalen Datenverarbeitung und der Quantenphysik verknüpft, verspricht bestimmte Probleme der Informatik wesentlich effizienter als ein klassischer Computer zu lösen. Des Weiteren erlauben sogenannte Quantensimulatoren neue Einblicke in wissenschaftliche Fragestellungen aus den unterschiedlichsten Disziplinen, die über die Physik hinausgehen.\nDie heute am weitesten fortgeschrittene Möglichkeit, wie ein Quantencomputer realisiert werden kann, basiert auf in einer Paul-Falle gespeicherten Ionen, in deren atomaren Zuständen Information gespeichert wird. \nMittels elektromagnetischer Strahlung können die Zustände manipuliert und die Information verarbeitet werden. \nEin stationärer Magnetfeldgradient oder ein oszillierenden Magnetfeld erlaubt für die Manipulation langwellige Mikrowellenstrahlung und beide Ansätze wurden in der Vergangenheit bereits erfolgreich erprobt.\n\nDiese Arbeit knüpft an die ersten Machbarkeitsstudien bezüglich der Verwendung eines stationären Magnetfeldgradienten an. Es wurde mit drei gespeicherten Ionen in einem stationären Magnetfeldgradienten eine Quanten-Fouriertransformation als exemplarischer Algorithmus ausgeführt. Die Konstruktion des Algorithmus basiert dabei auf einem neuartigen Ansatz, der möglichst effektiv alle vorhandenen Spin-Spin-Kopplungen innerhalb des Systems ausnutzt und im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen um den Faktor drei schneller ausgeführt werden kann. Ebenfalls wurden Quantensysteme mit maßgeschneiderten Spin-Spin-Kopplungen für mögliche Quantensimulationen realisiert und untersucht. \nDabei wurden neuartige experimentelle Methoden entwickelt und erprobt, wie zum Beispiel eine Methode zur Detektion von Qubit-Zuständen, die auf der Zeitreihenanalyse von Fluoreszenz basiert.\nEbenfalls wurde untersucht, wie mit Mikrowellenpulsen und einem stationären Magnetfeldgradienten bis zu acht Ionen (ein Quantenbyte) adressiert werden können. Hierbei wurde demonstriert, dass der resultierende Fehler aus Übersprechen von der Größenordnung 10-5 ist. Ein solcher Fehler ist unterhalb der Schwelle, welche die effiziente Anwendung von Methoden der Quantenfehlerkorrekturen erlaubt.\nZusätzlich wurde demonstriert, wie der Fehler durch die Wahl geeigneter experimenteller Parameter unterdrückt werden kann.\nDarüber hinaus wurden Sequenzen von dynamischen Entkopplungspulsen verwendet, um eine kohärente Mehr-Qubit-Dynamik gegenüber einer Dephasierung zu stabilisieren. \nDie Leistungsfähigkeit und Fehleranfälligkeit unterschiedlicher Pulssequenzen wurden verglichen und eine neuartige robuste Pulssequenz entwickelt. Die Stabilisierung der Quantendynamik über eine Dauer, die fast zwei Größenordnungen länger als die Kohärenzzeit des Systems ist, erlaubte die Erzeugung von verschränkten Zuständen mit einer Fidelity von 0,64(4).