Development of Single-molecule Identification Using Quantum Interference

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。