Development of Single-molecule Identification Using Quantum Interference

利用量子干涉进行单分子识别的进展

• 批准号: 22H00281
• 负责人: 谷口 正輝
• 金额: $ 26.79万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H00281/
• 关键词: 量子干渉; 1分子識別; DNA; トンネル電流; 量子コンピュータ

ＤＮＡを構成する４つの核酸である、アデノシン、シチジン、グアノシン、チミジンの1分子コンダクタンスを計測した。計測で得られた大量の電流―時間波形からランダムに抽出した波形を調べたところ、アデノシンの波形にのみ、2つのコンダクタンスプラトーが、高頻度で観察された。アデノシンの量子化学計算から、最適化構造と分子軌道が決定され、１分子コンダクタンスにおける量子干渉則により、電子的な電極―分子間相互作用と、電流経路の許容・禁制の複数の組合せを決定した。電極から分子への電子の入射と、分子から電極への電子の出射を量子ビットに対応させ、計測で得られた1分子コンダクタンス、電極―分子の電子的な接合状態、および量子干渉則を満たす量子ゲートを、Ｘゲート、Ｙ回転ゲート、制御NOTゲートから構築した。Ｙ回転ゲートの回転角θは、重ね合わせ状態をつくる電流経路に重み付けを与えた。計測で得られた核酸分子の１分子コンダクタンスの度数分布を作成し、度数分布に基づき、回転角θの分布を決定した。アデノシンでは、高い、低い、および重ね合わせ状態の中間状態の１分子コンダクタンスの回転角θを、それぞれ、0°、90°、45°と決定した。決定した量子ゲートによる量子計算を介して、１分子コンダクタンス計測データからアデノシンの識別強度を計算した。シミュレーションで得られたアデノシンの1分子コンダクタスをテストデータに用いると、量子シミュレーションでは100%の識別精度が得られた。さらに、５ビットの量子コンピュータを用いてアデノシンの識別を行ったところ、81％の識別精度が得られ、構築したアデノシンの量子ゲートがアデノシン識別器として機能することを実証した。さらに、４つの核酸の計測データを量子コンピュータで解析した結果、アデノシンを100％の強度で識別することに成功した。

DNA を constitute す る 4 つ の nucleic acid で あ る, ア デ ノ シ ン, シ チ ジ ン, グ ア ノ シ ン, チ ミ ジ ン の 1 molecular コ ン ダ ク タ ン ス を measuring し た. Measuring で have ら れ た large の current - time waveform か ら ラ ン ダ ム に spare し た waveform を adjustable べ た と こ ろ, ア デ ノ シ ン の waveform に の み, 2 つ の コ ン ダ ク タ ン ス プ ラ ト ー が, high frequency で 観 examine さ れ た. ア デ ノ シ ン の quantum chemical calculation か ら, optimization structure と molecular orbital が decided さ れ, 1 molecular コ ン ダ ク タ ン ス に お け る quantum dry involved are に よ り, electronic な electrode - intermolecular interactions と, current 経 の allowable, banned の plural の combination せ を decided し た. Electrode か ら molecular へ の electronic の incident と, molecular か ら electrode へ の electronic の emergent を quantum ビ ッ ト に 応 seaborne さ せ, metering で ら れ た 1 molecular コ ン ダ ク タ ン ス bonding state な - molecular の electrodes, and お よ び quantum dry involved are を against た す quantum ゲ ー ト を, X ゲ ー ト, Y back planning ゲ ー ト, royal NOT ゲ ー ト か ら build し た. Y back planning ゲ ー ト の planning back Angle theta は, heavy ね わ せ state を つ く る に heavy current 経 road み pay け を and え た. Measuring で have ら れ た nucleic acids の 1 molecular コ ン ダ ク タ ン ス の を し consummate degree distribution and degree distribution に づ き, back to the planning Angle theta の distribution を decided し た. ア デ ノ シ ン で は, high い, low い, お よ び heavy ね close わ せ の intermediate state の 1 molecular コ ン ダ ク タ ン ス の planning back Angle theta を, そ れ ぞ れ, 0 ° and 90 °, 45 ° と decided し た. Decision し た quantum ゲ ー ト に よ る quantum computing を interface し て, 1 molecular コ ン ダ ク タ ン ス measuring デ ー タ か ら ア デ ノ シ ン の を identify strength calculation し た. シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で have ら れ た ア デ ノ シ ン の 1 molecular コ ン ダ ク タ ス を テ ス ト デ ー タ に with い る と, quantum シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は の recognition accuracy of 100% が must ら れ た. さ ら に, 5 ビ ッ ト の quantum コ ン ピ ュ ー タ を with い て ア デ ノ シ ン の line identification を っ た と こ ろ, 81% の recognition accuracy が ら れ, constructing し た ア デ ノ シ ン の quantum ゲ ー ト が ア デ ノ シ ン recognizer と し て function す る こ と を card be し た. さ ら に, 4 つ の nucleic acid の measuring デ ー タ を quantum コ ン ピ ュ ー タ で parsing し た results, ア デ ノ シ ン を 100% の strength で recognition す る こ と に successful し た.

项目成果

バイオナノテクノロジー研究分野（谷口（正）研）

生物纳米技术研究领域（谷口正史实验室）

Challenges of the practical applications of solid-state nanopore platforms for sensing biomolecules

固态纳米孔平台传感生物分子的实际应用面临的挑战

• DOI: 10.35848/1882-0786/ac7bd4
• 发表时间: 2022
• 期刊: Applied Physics Express
• 影响因子: 2.3
• 作者: 仁井田海渡;宮崎雅義;細野秀雄;北野政明;Taniguchi Masateru
• 通讯作者: Taniguchi Masateru

Single‐Molecule Classification of Aspartic Acid and Leucine by Molecular Recognition through Hydrogen Bonding and Time‐Series Analysis

通过氢键分子识别和时间序列分析对天冬氨酸和亮氨酸进行单分子分类

• DOI: 10.1002/asia.202200179
• 发表时间: 2022
• 期刊: Chemistry - An Asian Journal
• 作者: Ryu Jiho;Komoto Yuki;Ohshiro Takahito;Taniguchi Masateru
• 通讯作者: Taniguchi Masateru

量子コンピュータを用いた1分子識別法の開発

利用量子计算机开发单分子识别方法

• 发表时间: 2022
• 作者: 谷口 正輝;大城 敬人;多田 朋史
• 通讯作者: 多田 朋史

Quantitative Microscopic Observation of Base?Ligand Interactions via Hydrogen Bonds by Single-Molecule Counting

通过单分子计数定量显微观察氢键碱基配体相互作用

• DOI: 10.1021/jacs.2c11260
• 发表时间: 2023
• 期刊: Journal of the American Chemical Society
• 影响因子: 15
• 作者: Takashima Yusuke;Komoto Yuki;Ohshiro Takahito;Nakatani Kazuhiko;Taniguchi Masateru
• 通讯作者: Taniguchi Masateru