Molecular Spin Qubits in a One-Dimensional Host

一维宿主中的分子自旋量子位

基本信息

  • 批准号:
    1905990
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 47.96万
  • 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

A rule of thumb for modern computer technology is that approximately every two years, the number of transistors on a microprocessor chip doubles. This rate of improvement is described by Moore's Law, and has started to falter for a variety of reasons. One new paradigm that may permit continued rapid growth is quantum computing. Quantum computing exploits the laws of quantum mechanics and may solve certain problems that are essentially intractable with conventional computers. The key fundamental unit in a quantum computer is the so called quantum bit (or qubit), in analogy to the classical binary bit. This research aims to understand electron spins in low-dimensional materials and develop a new type of qubit based on these electron spins. A close collaboration between the two universities in this project helps promote partnership between the institutions. This research activity provides interdisciplinary training for the graduate students and postdoctoral researchers involved in this project in the areas of material science, quantum optics, and nanophotonics. It also serves as an exciting opportunity for the training of our next-generation workforce in quantum information science. The spin of a single electron is a natural candidate for qubits due to its capability to store and process quantum information. A key challenge in operating an electron spin as a functional qubit is to turn on and off its coupling to the external environment with full control. By establishing a spin-photon interface in the qubit materials, it is possible to efficiently manipulate and readout the spin states using optical techniques. This approach has been successfully implemented in studying several types of naturally occurring defect qubits in bulk materials. To move beyond spin qubits in bulk materials and allow design and control of the qubit systems on the atomic scale, the research team adopts a bottom-up approach to develop molecular spin qubits integrated in low dimensional materials. The full synthetic control of the molecular qubits enables effective tuning of their electronic structures. Molecular design and composition control also allow addressing physical processes that drive spin decoherence. Combining first-principle theory calculations and experimental studies, this research aims to develop a new type of molecular spin qubits that interface optical photons. The material platform established in this research advances understanding of chemistry-enabled qubits and their application in quantum devices.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.
现代计算机技术的经验法则是,大约每两年,微处理器芯片上的晶体管数量就会增加一倍。这种改善速度可以用摩尔定律来描述,但由于各种原因,这种改善速度已经开始放缓。一个可能允许持续快速增长的新范式是量子计算。量子计算利用量子力学定律,可以解决传统计算机基本上难以解决的某些问题。量子计算机中的关键基本单元是所谓的量子比特(或量子比特),类似于经典的二进制比特。这项研究旨在了解低维材料中的电子自旋,并基于这些电子自旋开发一种新型量子比特。两所大学在这个项目上的密切合作有助于促进院校之间的伙伴关系。该研究活动为参与该项目的研究生和博士后研究人员提供材料科学,量子光学和纳米光子学领域的跨学科培训。这也是我们在量子信息科学方面培训下一代员工的一个令人兴奋的机会。 单个电子的自旋是量子比特的自然候选者,因为它具有存储和处理量子信息的能力。将电子自旋作为功能量子位操作的一个关键挑战是完全控制其与外部环境的耦合。通过在量子位材料中建立自旋-光子界面,可以使用光学技术有效地操纵和读出自旋状态。这种方法已经成功地实现了在研究几种类型的自然发生的缺陷量子比特在散装材料。为了超越体材料中的自旋量子位,并允许在原子尺度上设计和控制量子位系统,研究团队采用自下而上的方法来开发集成在低维材料中的分子自旋量子位。分子量子比特的完全合成控制使得能够有效地调节它们的电子结构。分子设计和组成控制也允许解决驱动自旋退相干的物理过程。本研究结合第一性原理理论计算和实验研究,旨在开发一种新型的与光学光子接口的分子自旋量子比特。该研究建立的材料平台促进了对化学量子比特及其在量子器件中应用的理解。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)
Tuning spin–orbit coupling in (6,5) single-walled carbon nanotube doped with sp3 defects
  • DOI:
    10.1063/5.0031337
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    K. Trerayapiwat;S. Lohmann;Xuedan Ma;S. Sharifzadeh
  • 通讯作者:
    K. Trerayapiwat;S. Lohmann;Xuedan Ma;S. Sharifzadeh
Quantum Efficiency Gain in 2D Perovskite Photo and X‐Ray Detectors
  • DOI:
    10.1002/adom.202300847
  • 发表时间:
    2023-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    H. Tsai;L. Pan;Xinxin Li;Jinkyoung Yoo;S. Tretiak;Xuedan Ma;Lei R. Cao;W. Nie
  • 通讯作者:
    H. Tsai;L. Pan;Xinxin Li;Jinkyoung Yoo;S. Tretiak;Xuedan Ma;Lei R. Cao;W. Nie
Long carrier diffusion length in two-dimensional lead halide perovskite single crystals
二维卤化铅钙钛矿单晶中的长载流子扩散长度
  • DOI:
    10.1016/j.chempr.2022.01.008
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    23.5
  • 作者:
    Shrestha, Shreetu;Li, Xinxin;Tsai, Hsinhan;Hou, Cheng-Hung;Huang, Hsin-Hsiang;Ghosh, Dibyajyoti;Shyue, Jing-Jong;Wang, Leeyih;Tretiak, Sergei;Ma, Xuedan
  • 通讯作者:
    Ma, Xuedan
Ultrafast Exciton Trapping at sp 3 Quantum Defects in Carbon Nanotubes
碳纳米管中 sp 3 量子缺陷的超快激子捕获
  • DOI:
    10.1021/acsnano.9b06279
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    17.1
  • 作者:
    Sykes, Matthew E.;Kim, Mijin;Wu, Xiaojian;Wiederrecht, Gary P.;Peng, Lintao;Wang, YuHuang;Gosztola, David J.;Ma, Xuedan
  • 通讯作者:
    Ma, Xuedan
Strain-Induced Trapping of Indirect Excitons in MoSe2/WSe2 Heterostructures
  • DOI:
    10.1021/acsphotonics.0c00567
  • 发表时间:
    2020-09-16
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    Wang, Wei;Ma, Xuedan
  • 通讯作者:
    Ma, Xuedan
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    2007-02-01
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  • 作者:
    Xuedan Ma;Daishi Guo;Qizhong Jiang;Zifeng Ma;Zhengfei Ma;Weidong Ye;Chunbo Li
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    2023
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    Anubhab Haldar;Zhengjie Huang;Xuedan Ma;P. Darancet;S. Sharifzadeh
  • 通讯作者:
    S. Sharifzadeh

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知道了