2023 Fiscal Year Research-status Report
Design for the exciton-based molecular logic gates for quantum computing
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22K03480
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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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, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 主幹研究員 (80399419)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | 量子動力学計算 / 電子励起 / 分子素子 / 量子回路 / 量子コンピュータ |
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| 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。最近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進めてきた。計算では、量子ゲートのハミルトニアンを構築し、量子動力学計算を行い、エキシトンの流れを解析した。NOT、Hadamardの量子ゲートの他に、Deutsch-Jozsaの量子アルゴリズムを実行する量子回路に解析対象を広げ、実現可能性を検証した。Deutsch-Jozsaの量子アルゴリズムは、ブラックボックス内のビット配列の情報を導くためのアルゴリズムで、最も単純な量子アルゴリズムの１つである。エキシトンハミルトニアンの枠組みを使って、この量子回路を４つの励起サイト間のエキシトン移動として記述した。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、できる限り高いフィデリティーを実現するために必要な条件を明らかにすることができた。また、そのために必要な分子配置と遷移双極子の配置について検証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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。具体的な量子回路を対象に量子動力学計算による解析を進めた。そして、量子アルゴリズムを実現するために必要な分子の特性を導くことができた。また、導いた結果について、量子技術関連の学会や研究会で発表を進めた。順調に進めることができたと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
必要な分子の特性を導くことができ、今後検証しなければならない点がわかってきた。１つは環境の設定である。現状では複数の調和振動子の重ね合わせとして環境を扱っているが、今後、環境モデルの調整と具体的な分子系、物質系との対応について検討を進めていく。もう１つは、分子配置と電子特性（電子カップリング）の関係である。様々な分子配置を生成し、電子カップリングの評価を進めていく必要があり、電子状態計算などの量子化学計算の活用を検討する。
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| Causes of Carryover |
サーバー型計算機を購入して研究課題を進めることを予定していたが、外部の大型計算機の利用申請に採択され、計算資源を想定以上に確保することができた。そのため、予定していた計算機の購入を見送ることとなり、次年度使用額が生じた。次年度使用額については、消耗品、出張旅費に使用する予定である。
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