Development of Spin Coherent Microscopy with Time and Space Resolutions Dedicated for Quantum Information Processes

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研究成果の概要量子コンピューターの物理的単位を担うキュービット(qubit)の開発競争が高まっており、その開発は喫緊の課題である。分子スピンをキュービットとして用いた量子情報処理のデモンストレーション（ショアのアルゴリズム）はすでに2000年に行われており、他のqubit候補に対する優位性は示されている。それには分子の優れた特性と電子スピン共鳴(ESR)・核磁気共鳴(NMR)電子機器の精度の高さが成功の理由としてあげられる。しかし、測定には10億個の分子の集団が要求され、大型なESR/NMR装置が必要なことと合わせて、次世代の量子コンピューター利用には課題が残る。その解決のため、単一分子に電流を用いてESR/NMRと同様の量子操作が行えれば、分子スピンは一挙にqubitの最有力候補となる可能性を持つ。本実験では単分子で磁石のようにスピンの方向を保持できる単分子磁石、テルビウム・フタロシアニン錯体（TbPc2）分子を用いて、磁場中に置かれたトンネル接合にラジオ波（RF波）を入射しその共鳴を得ることで、単分子について従来のESRと同等の信号を得ることに成功し、分子の結晶で得られるESR情報とは異なる単分子の化学状態を観察した。本手法は量子コンピューターに応用するのに十分なエネルギー精度をもっており電流を用いた分子スピンのキュービット応用への道をひらくと期待される。具体的には単分子で磁石の性質を示す単分子磁石である、テルビウム（Tb）原子を上下から環状化合物のフタロシアニン（Pc）配位子でサンドイッチした分子（TbPc2分子）を用い、磁場中のトンネル接合に配置し、RF波を入射することで、従来化学分析に用いられるESRと同等のエネルギー精度を持つ信号を単一分子から検出することに成功した。結果はACS NanoLettersに掲載され、新聞発表が取り上げられるなど反響を集めた。