Photogenerated Multi-Spin Systems as Qubits for Quantum Information Science

光生多自旋系统作为量子信息科学的量子位

基本信息

  • 批准号:
    2154627
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 60.37万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-07-01 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

In this project, funded by the Chemical Structure, Dynamics & Mechanisms B Program of the Chemistry Division, Professor Michael 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 that is critical to the future of quantum information science applications for computation, sensing, and communications. The degree of control over molecular structure and properties afforded by chemistry makes it possible to develop molecules and materials that take advantage of electron spin dynamics to implement new strategies for quantum information science. Molecular architectures provide unmatched flexibility for tailoring quantum properties using bottom-up synthetic strategies. The project lies at the interface of organic, physical, and materials chemistry, and is therefore well suited to the education of scientists at all levels. This group is also well-positioned to provide the highest level of education and training for students underrepresented in science. Outreach activities involving K-12 students will also be part of the funded project.This project will address several goals essential for exploiting spin-correlated radical pairs (SCRPs) as spin qubit pairs (SQPs) that target quantum information science applications. Professor Michael Wasielewski’s group will 1) photogenerate SCRPs to produce well-defined initial SQP quantum states that can be addressed and manipulated to serve as targets for two-qubit quantum gates; 2) entangle the electron spins of SQPs with one or two nuclear spins to extend spin coherence lifetimes; 3) move (teleport) spin coherences between two sites, focusing on how SQP coherence lifetimes and increasing the teleportation distance affect teleportation fidelity; and 4) explore how chirality-induced spin selectivity influences SQP coherence and polarization using chiral electron donor-acceptor molecules. In topics 1, 3, and 4, they will extend the molecular architectures to include DNA hairpins, which will provide a scalable platform for the rapid synthesis of a wide variety of molecular quantum information science systems. The spin dynamics of these systems will be probed using time-resolved electron paramagnetic resonance experiments, which will be performed using a short laser pulse to generate the SCRP following by probing the spins using constant or pulsed microwaves.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.
在这个项目中,由化学部的化学结构,动力学机制B计划资助,西北大学化学系的Michael Wasielewski教授正在开发如何控制电荷和自旋通过有机分子的传输的基本理解,这对量子信息科学应用于计算,传感和通信的未来至关重要。化学对分子结构和性质的控制程度使得开发利用电子自旋动力学的分子和材料成为可能,以实现量子信息科学的新策略。分子结构为使用自下而上的合成策略定制量子特性提供了无与伦比的灵活性。该项目位于有机,物理和材料化学的界面,因此非常适合各级科学家的教育。该小组也有能力为科学领域代表性不足的学生提供最高水平的教育和培训。该项目还将开展涉及K-12学生的外展活动。该项目将解决利用自旋相关自由基对(SCRPs)作为自旋量子位对(SQPs)的几个关键目标,这些目标针对量子信息科学应用。Michael Wasielewski教授的研究小组将1)光生SCRP以产生定义良好的初始SQP量子态,这些量子态可以被寻址和操纵以作为双量子比特量子门的目标; 2)将SQP的电子自旋与一个或两个核自旋纠缠以延长自旋相干寿命; 3)移动(隐形传态)两个站点之间的自旋相干性,重点是SQP相干寿命和增加隐形传态距离如何影响隐形传态保真度;以及4)利用手性电子给体-受体分子探索手性诱导的自旋选择性如何影响SQP相干性和极化。在主题1,3和4中,他们将扩展分子结构,包括DNA发夹,这将为各种分子量子信息科学系统的快速合成提供可扩展的平台。这些系统的自旋动力学将使用时间分辨电子顺磁共振实验进行探测,该实验将使用短激光脉冲产生SCRP,然后使用恒定或脉冲微波探测自旋。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力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(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Quantum Gate Operations on a Spectrally Addressable Photogenerated Molecular Electron Spin-Qubit Pair
  • DOI:
    10.1021/jacs.3c01243
  • 发表时间:
    2023-03-13
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15
  • 作者:
    Mao, Haochuan;Pazera, Gediminas J.;Wasielewski, Michael R.
  • 通讯作者:
    Wasielewski, Michael R.
Chirality-Induced Spin Selectivity: An Enabling Technology for Quantum Applications
  • DOI:
    10.1002/adma.202300472
  • 发表时间:
    2023-05-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    29.4
  • 作者:
    Chiesa, Alessandro;Privitera, Alberto;Carretta, Stefano
  • 通讯作者:
    Carretta, Stefano
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Pazera, G.;Kryzaniak, m.D and
  • 通讯作者:
    Kryzaniak, m.D and
A spin-frustrated trisradical trication of prismcage
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15
  • 作者:
    Han, H.;Huang, Y.;Tang, C.;Liu, Y.;Krzyaniak, M. D.;Song, B.;Li, X.;Wu, G.;Wu, Y.;Zhang, R.
  • 通讯作者:
    Zhang, R.
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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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  • DOI:
  • 发表时间:
    2009
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kil Suk Kim;zin Seok Yoon;Annie Ricks;Jae-Yoon Shin;森中樹;Jeyaraman Sankar;斉藤尚平;Young Mee Jung;Michael Wasielewski;大須賀篤弘;Dongho Kim
  • 通讯作者:
    Dongho Kim
Temperature Dependent Conformational Change of meso-Hexakis (pentafluorophenyl) [28] Hexaphyrins (1. 1. 1. 1. 1. 1) into Mobuis Structures
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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