電子スピン多重共鳴による量子演算の実現

本研究では、分子内不対電子スピンによる量子演算を目指している。量子演算を実現するためには、量子ビットとなる分子内電子スピンの初期化とゲート演算、さらに観測を行う必要がある。電子スピンの初期化は分子の環境温度を冷却することで実現され、量子ゲート演算はマイクロ波を照射することで実現される。演算結果は従来の磁気共鳴により読みだすことができる。前年度までの研究により、横緩和時間が数十ナノ秒と短い本研究に用いる電子スピンに対し、動的デカップリングを適用することにより制御位相ゲートを実現している。しかし、単純な既存の動的デカップリングを適用できないゲートに対しては新たにパルス列を考案する必要があった。これに対しゲートとなる動的デカップリング波形を数値自動生成する手法を開発した。また電子スピン量子ビットの初期化のために、希釈冷凍機による環境温度30ミリケルビンでの電子スピン共鳴装置を構成した。偶然ではあるが、この極低温下において、ジフェニルピクリルヒドラシル粉末と、測定に用いた誘電体共振器との間に真空ラビ分裂と考えられる反公差を観測した。離調が大きなときに共振器は3次の非線形光学効果を示し、縮退4光波混合によるパラメトリック増幅により非線形効果の大きさを測定した。最終年度となる本年度は(1)動的デカップリング波形を数値生成する手法を、二つの実際の例題に適用した。また、数値的に振幅や周波数帯域幅などのリソースと性能の関係を調べ、ユニタリ回転による動的デカップリングは、用いられるリソースにより性能に限界があることを示唆した。(2)電子スピンと結合した共振器を用いたパラメトリック増幅実験を離調周波数の依存性やポンプ光パワー依存性を調べ、その結果を解析した。Tavis-Cummingsモデルから平均ハミルトニアン法を用いて実効ハミルトニアンを導出し、理論的に得られる利得を算出した。

本研究では、分子内不対電子スピンによる量子演算を目指している。量子演算を実現するためには、量子ビットとなる分子内電子スピンの初期化とゲート演算、さらに観測を行う必要がある。電子スピンの初期化は分子の環境温度を冷却することで実現され、量子ゲート演算はマイクロ波を照射することで実現される。演算結果は従来の磁気共鳴により読みだすことができる。前年度までの研究により、横緩和時間が数十ナノ秒と短い本研究に用いる電子スピンに対し、動的デカップリングを適用することにより制御位相ゲートを実現している。しかし、単純な既存の動的デカップリングを適用できないゲートに対しては新たにパルス列を考案する必要があった。これに対しゲートとなる動的デカップリング波形を数値自動生成する手法を開発した。また電子スピン量子ビットの初期化のために、希釈冷凍機による環境温度30ミリケルビンでの電子スピン共鳴装置を構成した。偶然ではあるが、この極低温下において、ジフェニルピクリルヒドラシル粉末と、測定に用いた誘電体共振器との間に真空ラビ分裂と考えられる反公差を観測した。離調が大きなときに共振器は3次の非線形光学効果を示し、縮退4光波混合によるパラメトリック増幅により非線形効果の大きさを測定した。最終年度となる本年度は(1)動的デカップリング波形を数値生成する手法を、二つの実際の例題に適用した。また、数値的に振幅や周波数帯域幅などのリソースと性能の関係を調べ、ユニタリ回転による動的デカップリングは、用いられるリソースにより性能に限界があることを示唆した。(2)電子スピンと結合した共振器を用いたパラメトリック増幅実験を離調周波数の依存性やポンプ光パワー依存性を調べ、その結果を解析した。Tavis-Cummingsモデルから平均ハミルトニアン法を用いて実効ハミルトニアンを導出し、理論的に得られる利得を算出した。