Hyperpolarized Multi-Spin Systems as Qubits for Quantum Information Science

超极化多自旋系统作为量子信息科学的量子位

基本信息

  • 批准号:
    1900422
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 56.68万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-07-01 至 2022-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

In this project, funded by the Chemical Structure, Dynamics, and Mechanisms-B Program of the Chemistry Division, Professor Michael R. Wasielewski of the Department of Chemistry at Northwestern University is developing a fundamental understanding of how to control charge and spin transport through organic molecules. Such control is critical to the future of electronics, computers, and quantum information science (QIS). The degree of control over molecular structure and properties afforded by this research makes it possible to develop molecules and materials that take advantage of electron spin changes to implement new strategies for computer of the future that may have speeds and encryption technologies far beyond the current models. The Wasielewski research group volunteers in the Science In The Classroom program (SITC), with 3rd/4th-graders at an elementary school in an historically under-served and diverse community in Chicago. Approximately one third of the classes served by SITC are multilingual, and learn English as a second language alongside the regular curriculum. By volunteering with the same class of students for the academic year, Northwestern students mentor and inspire young scientists. The research team also participates in the program "Letters to a Pre-Scientist" which focuses on creating personal connections between middle school students from underprivileged schools and scientists to encourage the younger students to consider science as a career by writing letters as a pen pals. Photogenerated molecular excited states and electron transfer reactions are playing an increasing role in quantum information science (QIS). This project will address several goals based on what are known in the QIS field as the DiVincenzo criteria, which are essential for exploiting multi-radical assemblies as spin qubits that target QIS applications. Professor Wasielewski and his group use two spin-selective photophysical processes to hyperpolarize electron spins to generate well-defined initial quantum states of spin qubits and determine the dephasing mechanisms of the spin qubits. The team then manipulates and addresses specific spin qubits to demonstrate quantum gates and uses both microwave and visible photon pulses to move (teleport) spin coherences between two sites. Finally, the team establishes strategies for scalable spin qubit arrays based on DNA hairpin structures. They use laser excitation to generate the initial hyperpolarized spin qubits and time-resolved pulse electron paramagnetic resonance (pulse-EPR) spectroscopy to observe, manipulate and control the coherent spin states of these qubits.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在这个由化学系化学结构、动力学和机理-B计划资助的项目中,Michael R.西北大学化学系的Wasielewski正在对如何控制有机分子中的电荷和自旋传输进行基本的理解。 这种控制对电子学、计算机和量子信息科学(QIS)的未来至关重要。这项研究提供的对分子结构和性质的控制程度使得开发利用电子自旋变化的分子和材料成为可能,以实现未来计算机的新策略,这些计算机可能具有远远超过当前模型的速度和加密技术。Wasielewski研究小组志愿者在科学在课堂计划(SITC),与三/四年级的小学生在一个历史上服务不足和多样化的社区在芝加哥。国际贸易标准分类提供的课程中约有三分之一是多语种的,英语作为第二语言与正规课程一起学习。通过与同一个班级的学生在学年志愿服务,西北大学的学生指导和激励年轻的科学家。研究团队还参与了“给前科学家的信”项目,该项目旨在通过帕尔斯写信,在贫困学校的中学生和科学家之间建立个人联系,鼓励年轻学生将科学视为一种职业。光生分子激发态和电子转移反应在量子信息科学中发挥着越来越重要的作用。该项目将基于QIS领域中已知的Diplenzo标准来实现几个目标,这些标准对于利用多自由基组件作为针对QIS应用的自旋量子位至关重要。Wasielewski教授和他的团队使用两个自旋选择性的量子物理过程来超自旋电子自旋,以生成自旋量子比特的定义良好的初始量子态,并确定自旋量子比特的退相机制。 然后,该团队操纵和寻址特定的自旋量子位来演示量子门,并使用微波和可见光子脉冲在两个站点之间移动(传送)自旋相干。 最后,该团队建立了基于DNA发夹结构的可扩展自旋量子位阵列的策略。他们使用激光激发来产生初始超极化自旋量子位,并使用时间分辨脉冲电子顺磁共振(脉冲-EPR)光谱来观察、操纵和控制这些量子位的相干自旋态。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响力审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
CNOT gate operation on a photogenerated molecular electron spin-qubit pair
  • DOI:
    10.1063/1.5128132
  • 发表时间:
    2020-01-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Nelson, Jordan N.;Zhang, Jinyuan;Wasielewski, Michael R.
  • 通讯作者:
    Wasielewski, Michael R.
Effect of the Time Delay between Spin State Preparation and Measurement on Electron Spin Teleportation in a Covalent Donor–Acceptor–Radical System
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  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.1c03780
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Bancroft, Laura;Qiu, Yunfan;Krzyaniak, Matthew D.;Wasielewski, Michael R.
  • 通讯作者:
    Wasielewski, Michael R.
Controlling the Dynamics of Three Electron Spin Qubits in a Donor–Acceptor–Radical Molecule Using Dielectric Environment Changes
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  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.1c00077
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Mao, Haochuan;Young, Ryan M.;Krzyaniak, Matthew D.;Wasielewski, Michael R.
  • 通讯作者:
    Wasielewski, Michael R.
Radically Enhanced Dual Recognition
  • DOI:
    10.1002/anie.202109647
  • 发表时间:
    2021-09-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Chen, Xiao-Yang;Mao, Haochuan;Stoddart, J. Fraser
  • 通讯作者:
    Stoddart, J. Fraser
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  • DOI:
    10.1021/jacs.0c01114
  • 发表时间:
    2020-03-18
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15
  • 作者:
    Guo, Qing-Hui;Zhou, Jiawang;Stoddart, J. Fraser
  • 通讯作者:
    Stoddart, J. Fraser
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Temperature Dependent Conformational Change of meso-Hexakis(pentafluorophenyl)[28]Hexaphyrins(1.1.1.1.1.1)into Mobius Structures
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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