2022 Fiscal Year Research-status Report

Design for the exciton-based molecular logic gates for quantum computing

Research Project

Project/Area Number	22K03480
Research Institution	National Institutes for Quantum Science and Technology
Principal Investigator	米谷佳晃国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所光量子科学研究部, 主幹研究員 (80399419)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2027-03-31
Keywords	エキシトン / 量子計算 / 量子動力学 / 経路積分 / 光科学 / 電子励起
Outline of Annual Research Achievements	エキシトンの流れを究極的に制御できれば、分子レベルの論理演算回路を作ることができ、微小なコンピュータの実現につながる。さらにエキシトンの量子性に注目し、重ね合わせ演算を実行できれば、新たな量子コンピュータの方式となることが期待されている。しかし、量子コンピュータの開発は、核スピンや半導体など他の方式が進んでおり、分子エキシトンを用いた構想は遅れている。昨年MITのグループから理論による構想が報告されたが、多くの部分が未知数である。本課題では、「分子エキシトン型量子コンピュータを実現するには、どのような特性の分子をどのように組み合わせればよいか」を明らかにするために、理論計算による検証を行った。量子ゲートのハミルトニアンを使って量子動力学計算を行い、エキシトンの流れを利用した量子演算ゲートの可能性について検証した。ハミルトニアンは、NOTゲート、 Hadamardゲートのシステム項に、環境を表す項を加えたものを用いた。環境の部分は、複数の調和振動子で表した。経路積分の半古典解法により、量子系の時間発展を求め、量子演算フィデリティーを評価した。環境ノイズの中で、高いフィデリティーを得るには、大きなエキシトンカップリングJが必要となる。例えば、0.98以上のフィデリティーを実現するには、1000 cm-1を超えるJが必要となることがわかった。環境を特徴づける温度と再配向エネルギーは、小さい方が望ましいが、少し高くても許容される。導かれた結果は、今後どのような特性の分子を、どのように組み合わせれば良いかを考える上で重要になる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究課題の第一段階は、必要な分子特性を評価することである。本年度は、予定通り、量子動力学計算を実行し、量子演算を実現するために必要な分子の特性を評価することができた。また、結果を原著論文として発表することができた。順調に進めることができたと言える。
Strategy for Future Research Activity	必要な分子の特性を導くことができたので、今後は、条件を満たす分子の配置を探っていく。エキシトンカップリングの値は、主に２つの分子の相対配置で決まる。特に遷移双極子の配置が重要なポイントになる。様々な双極子の配置を生成し、相互作用の評価を進めていく。電子状態計算などの量子化学計算の活用も検討する。
Causes of Carryover	研究計画で申請した物品費に対し、減額交付となった。そのため、購入を想定していた計算機装置について再検討することになり、次年度使用額が生じた。次年度使用額については、計算装置、消耗品、旅費に使用する予定である。