Singletzustand

Der Singletzustand ist ein spezieller zweikörperiger Quantenzustand in der Quantenmechanik, der den Gesamtspin beider Teilchen auf S=0 festlegt. Er ist der antisymmetrische Zustand zweier Spin-1/2-Teilchen und gehört zu den Bell-Zuständen der zweiqubitigen Systeme. Der Standardform des Singletzustands lautet |ψ^-⟩ = (|↑↓⟩ − |↓↑⟩)/√2. Dieser Zustand ist maximal verschränkt und besitzt eine Rotationsinvarianz: Eine globale Drehung des Gesamtspins ändert die Form des Zustands nur durch einen Phasenfaktor, nicht dessen Struktur.

Der Singletzustand weist perfekte Antikorrelationen bei Messungen der Spins auf jeder Messachse auf. Wird am ersten Teilchen eine Orientierung gemessen und als ↑ bestimmt, ergibt sich beim zweiten Teilchen mit größter Sicherheit die entgegengesetzte Orientierung ↓, unabhängig von der gewählten Messachse. Diese Eigenschaft macht ihn zu einem zentralen Beispielzustand in der Quanteninformationstheorie.

In der Praxis wird der Singletzustand vielfältig genutzt. Er dient in Tests von Bellschen Ungleichungen, in der Quantenkryptographie (z. B. Ekert-Protokoll), in der Quanten-Teleportation und im Entanglement-Swapping. Experimentell wird er vor allem in Photonenpolarisationen durch spontane parametrische Down-Conversion (SPDC) erzeugt; außerdem existieren Implementationen in Trapped-Ion-, kalten Atom- und Festkörpersystemen.

Für höhere Spins existieren ähnliche Gesamtspin-0-Kombinationen; der Begriff Singlet kann auch auf mehrteilige Systeme angewendet werden. Insgesamt kennzeichnet der Singletzustand eine eindeutig antisymmetrische, maximal verschränkte Zweiteilchen-Konfiguration mit zentraler Bedeutung für Tests und Anwendungen der Quanteninformation.