量子をスピン状態にエンコードする分子を科学的に合成する

ノースウェスタン大学とシカゴ大学の化学者と物理学者のチームは、量子情報をスピン状態にエンコードする分子を科学的に合成し、新しいキュービットを作成する方法を開発しました。

量子技術は、新しいコンピュータやセンサーの基盤となる次世代のテクノロジーとして期待されています。

With their ability to harness the strange powers of quantum mechanics, qubits are the basis for potentially world-changing technologies — like powerful new types of computers or ultra-precise sensors.

参照元：https://news.northwestern.edu/stories/2020/12/in-new-step-toward-quantum-tech-scientists-synthesize-bright-quantum-bits/
– ノースウェスタン大学 Northwestern University. December 08, 2020 –

量子ビットは、量子力学の奇妙な力を利用する能力を備えており、強力な新しいタイプのコンピューターや超精密センサーなど、世界を変える可能性のあるテクノロジーの基盤となっています。

量子ビットは、多くの場合、私たちの日常の電子機器と同じ半導体材料でできています。

しかし、ノースウェスタン大学とシカゴ大学の化学者と物理学者の学際的なチームは、量子情報を磁気状態または「スピン」状態にエンコードする分子を化学的に合成することによって、テーラーメードのキュービットを作成する新しい方法を開発しました。

この新しいボトムアップアプローチは、最終的には並外れた柔軟性と制御を備えた量子システムにつながる可能性があり、次世代の量子技術への道を開くのに役立ちます。

ノースウェスタン大学のワインバーグ芸術科学大学の化学教授であるダンナフリードマン氏は話します。

「化学合成により、量子ビット構造の原子論的制御が可能になります。分子化学は、量子情報科学の新しいパラダイムを生み出します。」

結果は11月にジャーナルScienceに掲載されました。

Liewファミリーの分子工学教授であるAwschalom氏は話します。

「これは、強力でスケーラブルな量子技術の概念実証です。分子設計の技術を利用して、量子情報科学のための新しい原子スケールのシステムを作成できます。これら2つのコミュニティを統合することで、関心が広がり、量子センシングと計算を強化できる可能性があります。」

Awschalom氏は、2020年8月に設立され、アルゴンヌ国立研究所が率いるエネルギー省国立量子情報科学研究センターであるQ-NEXTのディレクターでもあります。

フリードマン氏は、他の2つのノースウェスタン大学の教員とともに、新しいセンターのメンバーです。

量子ビットは、重ね合わせと呼ばれる現象を利用して機能します。

従来のコンピュータで使用されている古典的なビットは1または0のいずれかを測定しますが、キュービットは同時に1と0の両方にすることができます。

チームは、スピン状態をキュービットとして使用でき、外界と容易にインターフェースできる分子を開発するための新しいボトムアップアプローチを見つけたいと考えていました。

そのために、彼らは有機金属クロム分子を使用して、光とマイクロ波で制御できるスピン状態を作り出しました。

正確に制御されたレーザーパルスで分子を励起し、放出された光を測定することで、分子を重ね合わせた後の分子のスピン状態を「読み取る」ことができます。

これは、量子技術で分子を使用するための重要な要件です。

合成化学によってこれらの分子上のわずか数個の異なる原子を変化させることにより、それらは光学的および磁気的特性の両方を変更することもでき、オーダーメイドの分子キュービットの可能性を強調しています。

Awschalom氏は話します。

「過去数十年にわたって、半導体の光学的にアドレス可能なスピンは、量子増強センシングを含むアプリケーションにとって非常に強力であることが示されています。これらのシステムの物理学を分子アーキテクチャに変換すると、合成化学の強力なツールボックスが開かれ、私たちが探求し始めたばかりの新しい機能が可能になります。」

フリードマン氏は話します。

「私たちの結果は、合成化学の新しい分野を切り開く対称性と結合の合成制御により、半導体の欠陥と同じ方法で対処できる量子ビットが作成されることを実証しました。ボトムアップアプローチにより、個々のユニットをターゲットアプリケーションの「設計量子ビット」として機能化することと、容易に制御可能な量子状態、スケーラブルな量子システムの可能性を提供します。」

これらの分子の1つの潜在的なアプリケーションは、特定の分子をターゲットにするように設計された量子センサーである可能性があります。

このようなセンサーは、体内の特定の細胞を検出したり、食品が腐敗したり、危険な化学物質を発見したりする可能性があります。

このボトムアップアプローチは、量子技術を既存の古典的技術と統合するのにも役立つ可能性があります。

Awschalom氏グループのポスドク研究員で論文の共同筆頭著者であるSamBayliss氏は説明します。

「量子技術が直面している課題のいくつかは、この非常に異なるボトムアップアプローチで克服できるかもしれません。発光ダイオードで分子システムを使用することは、変革の転換でした。おそらく、分子キュービットでも同様のことが起こる可能性があります。」

フリードマン氏の研究室の大学院生で共同筆頭著者のダニエル・ラオレンザ氏は、この分野での化学革新の途方もない可能性を見ています。

ラオレンザ氏は話します。

「キュービット周辺の環境に対するこの化学的に特異的な制御は、光学的にアドレス可能な分子キュービットを幅広い環境に統合するための貴重な機能を提供します。」