パルス電子-核多重共鳴による分子スピン量子状態の制御

2008 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18350015
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 佐藤 和信 大阪市立大学, 大学院・理学研究科, 教授 (90264796)
• キーワード: 量子コンピュータ / 量子情報科学 / 二次元相関分光法 / ESEEM / 量子状態制御 / 電子状態 / ジフェニルニトロキシド

研究概要

分子スピンバスQC(量子コンピュータ)の開発を目的として、適した分子スピン系の探索を行い、量子ビットとして電子スピンをバスとする分子スピン系の量子状態制御をパルス電子磁気共鳴技術により実行した。磁気緩和の影響を避けるために、ジフェニルニトロキシド誘導体の希釈単結晶を育成し、電子状態/分子構造をESR法を用いて解明した。電子状態解析の知見を基盤として、種々の誘導体から重水素化ジフェニルニトロキシドをベンゾフェノン中に希釈した単結晶試料に焦点を絞り、電子スピンと2つの核スピンが関与する3量子ビット系モデルとしての量子状態制御に関する考察を行った。測定には、ブルカーバイオスピン社と共同で開発した2種のコヒーレントマイクロ波を利用することが可能なQバンドパルスESR/ENDOR/ELDOR分光器を用いた。静磁場中における電磁波パルス照射後のスピン系の時間発展は、スピン量子状態の変換操作に対応し、精密な量子ゲートの設計にスピン系の時間発展制御は重要な要素である。パルスESEEM法や2次元相関分光法(HYSCORE法)における電子一核スピン量子状態の時間発展の観測より、量子ゲートの構築が可能であることを示した。併せて、Liouville von Neumann運動方程式に基づく電子スピン磁化の時間変化を計算し、電子-核スピン複合バス系における量子位相状態の時間制御について理論的な考察を行った。パルスによるスピン回転と時間制御を取り入れることにより、効率的な量子ゲート構築を行う手法のプロトタイプを実験的に示すことができた点は、今後の分子スピンQCの量子状態変換の精密制御に新しい重要指針を提供するものである。

研究成果

• [雑誌論文] Mononuclear Copper(II)-Superoxo Complexes that Mimic the Structure and Reactivity of the Active Centers of PHM and DβM (2009)
  • 著者名/発表者名: A. Kunishita, 他
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 131 ページ: 2788-2789
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular electron-spin quantum computers and quantum information processing: pulse-based electron magnetic resonance spin technology applied to matter spin-qubits (2009)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, 他
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermochromism in an Organic Crystal Based on the Co-existence of σ- and π-Dimers (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Morita, 他
  • 雑誌名: Nature Materials 7 ページ: 48-51
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction of a Kinetically Stabilized Silabenzene Leading to the Formation of the Corresponding Anion Radical Species (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Matsumoto, 他
  • 雑誌名: Organometallies 27 ページ: 305-308
  • 査読あり
• [雑誌論文] Curved Aromaticity of Corannulene-Based Neutral Radical : Crystal Structure and 3D Unbalanced Delocalization of spin (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Morita, 他
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 47 ページ: 2035-2038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic and molecular structures of C_<60>-based poly-anionic high-spin molecular clusters : Direct spin identification and electron spin transient nutation spectroscopy for high spin chemistry (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Nakazawa, 他
  • 雑誌名: Inore. Chim. Acta. 361 ページ: 4031-4037
  • 査読あり
• [雑誌論文] Macrocyclic High-Spin (S=2) Molecule : Spin Identification of A Sterically Rigid Metacyclophane-Based Nitroxide Tetraradical by Two-Dimensional Electron Spin Transient Nutation Spectroscopy (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Sawai, 他
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 47 ページ: 3988-3990
  • 査読あり
• [雑誌論文] Curve-Structured Phenalenyl Chemistry : Synthesis, Electronic Structure and Bowl-Inversion Barrier of a Phenalenyl-Fused Corannulene Anion (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Nishida, 他
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 130 ページ: 14954-14955
  • 査読あり
• [学会発表] 弱交換相互作用系QCモデルビラジカルの二次元FT-ESRスペクトル (2009)
  • 著者名/発表者名: 佐藤和信, 他
  • 学会等名: 日本化学会第89春季年会
  • 発表場所: 日本大学船橋
  • 年月日: 20090327-20090330
• [学会発表] The First Few Steps to Implementation of Scalable Molecular-Spin based Quantum Computers/Quantum Information Processing : Molecular Designs and Pulsed Electron Magnetic Resonance Spin Technology (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, 他
  • 学会等名: the 2nd Russian-Japanese Workshop "Open Shell Compounds and Molecular spin Devices"
  • 発表場所: Yekaterinburg, Russia
  • 年月日: 20081016-20081017
• [学会発表] Implementation of Molecular-Spin Quantum Computers by Pulsed Electron Multiple Resonance Technique (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, 他
  • 学会等名: the 2nd Russian-Japanese Workshop "Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices"
  • 発表場所: Yekaterinburg, Russia
  • 年月日: 20081016-20081017
• [学会発表] 量子スピンコンピュータを目指した、パルス電子多重共鳴法による弱交換相互作用ビラジカル系の量子状態制御 (2008)
  • 著者名/発表者名: 佐藤和信, 他
  • 学会等名: 第47回電子スピンサイエンス学会年会
  • 発表場所: 九州大学福岡
  • 年月日: 20081001-20081003
• [学会発表] Implementation of Quantum Operation by Pulsed Electron Magnetic Resonance Technique for Molecular-Spin Quantum Computers (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, 他
  • 学会等名: The nth International Conference on Molecule-based Magnets (ICMM2008)
  • 発表場所: Florence, Italy
  • 年月日: 20080921-20080924
• [学会発表] Molecular Spin-Bus Quantum Computing by Pulsed ENDOR Technique : Application of Ensemble Molecular Spins to Quantum Information Science (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, 他
  • 学会等名: The 11th International Conference on Molecule-based Magnets (ICMM2008)
  • 発表場所: Florence, Italy
  • 年月日: 20080921-20080924
• [学会発表] Molecular-Spin Quantum Manipulation by Pulsed Electron Magnetic Resonance : pulsed ENDOR- and Coherent Dual ELDOR-QC (2008)
  • 著者名/発表者名: K.Sato, R.Rahimi, S.Nakazawa, T.Ise, S.Nishida, T.Yoshino, K.Toyota, D.Shiomi, Y.Morita, M.Kitagawa, K.Nakasuji, M.Nakahara, H.Hara, P.Carl, P.Hofer, and T.Takui
  • 学会等名: 8th Asian Conference on Quantum Information Science
  • 発表場所: Seoul, Korea
  • 年月日: 20080825-31
• [学会発表] Coherent-Dual ELDOR Technique for Implementation of Molec ular-Spin Quantum Computers (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, 他
  • 学会等名: the 6th Asia Pacific EPR/ESR Symposium (APES2008)
  • 発表場所: Cairns, Queensland, Australia
  • 年月日: 20080713-20080718
• [図書] Molecular Realizations of Quantum Computing 2007 (Kinki University Series on Quantum Computing), "Quantum Computing Using Pulse-Based Electron-Nuclear Double Resonance (ENDOR) : Molecular Spin-Qubits" (2009)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, 他
  • 出版者: World Sclentific(印刷中)
• [図書] 「機能材料」、有機ラジカル量子ビット -分子スピン量子コンピュータ/量子情報処理技術の開発- (2008)
  • 著者名/発表者名: 工位武治, 他
  • 総ページ数: 49-61
  • 出版者: シーェムシー出版
• [備考]
  • URL: http://sci.osaka-cu.ac.jp/chem/phy2/indexj.html