Design for the exciton-based molecular logic gates for quantum computing

エキシトンの流れを究極的に制御できれば、分子レベルの論理演算回路を作ることができ、微小なコンピュータの実現につながる。さらにエキシトンの量子性に注目し、重ね合わせ演算を実行できれば、新たな量子コンピュータの方式となることが期待されている。しかし、量子コンピュータの開発は、核スピンや半導体など他の方式が進んでおり、分子エキシトンを用いた構想は遅れている。昨年MITのグループから理論による構想が報告されたが、多くの部分が未知数である。本課題では、「分子エキシトン型量子コンピュータを実現するには、どのような特性の分子をどのように組み合わせればよいか」を明らかにするために、理論計算による検証を行った。量子ゲートのハミルトニアンを使って量子動力学計算を行い、エキシトンの流れを利用した量子演算ゲートの可能性について検証した。ハミルトニアンは、NOTゲート、 Hadamardゲートのシステム項に、環境を表す項を加えたものを用いた。環境の部分は、複数の調和振動子で表した。経路積分の半古典解法により、量子系の時間発展を求め、量子演算フィデリティーを評価した。環境ノイズの中で、高いフィデリティーを得るには、大きなエキシトンカップリングJが必要となる。例えば、0.98以上のフィデリティーを実現するには、1000 cm-1を超えるJが必要となることがわかった。環境を特徴づける温度と再配向エネルギーは、小さい方が望ましいが、少し高くても許容される。導かれた結果は、今後どのような特性の分子を、どのように組み合わせれば良いかを考える上で重要になる。

エキシトンの流れを究極的に制御できれば、分子レベルの論理演算回路を作ることができ、微小なコンピュータの実現につながる。さらにエキシトンの量子性に注目し、重ね合わせ演算を実行できれば、新たな量子コンピュータの方式となることが期待されている。しかし、量子コンピュータの開発は、核スピンや半導体など他の方式が進んでおり、分子エキシトンを用いた構想は遅れている。昨年MITのグループから理論による構想が報告されたが、多くの部分が未知数である。本課題では、「分子エキシトン型量子コンピュータを実現するには、どのような特性の分子をどのように組み合わせればよいか」を明らかにするために、理論計算による検証を行った。量子ゲートのハミルトニアンを使って量子動力学計算を行い、エキシトンの流れを利用した量子演算ゲートの可能性について検証した。ハミルトニアンは、NOTゲート、 Hadamardゲートのシステム項に、環境を表す項を加えたものを用いた。環境の部分は、複数の調和振動子で表した。経路積分の半古典解法により、量子系の時間発展を求め、量子演算フィデリティーを評価した。環境ノイズの中で、高いフィデリティーを得るには、大きなエキシトンカップリングJが必要となる。例えば、0.98以上のフィデリティーを実現するには、1000 cm-1を超えるJが必要となることがわかった。環境を特徴づける温度と再配向エネルギーは、小さい方が望ましいが、少し高くても許容される。導かれた結果は、今後どのような特性の分子を、どのように組み合わせれば良いかを考える上で重要になる。