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九州大学、神戸大学の研究グループは、光を吸収する分子を規則正しく並べることで、電子スピンの臨界状態を室温付近で100ナノ秒維持することに成功した。

この技術革新は、粒子をいわゆる「コヒーレント」な状態に保つため、極低温を実現するために用いられる高価な冷却装置を必要としない量子技術の開発に大きな影響を与える可能性がある。

色、位置、速度、回転などの性質を持つ日常生活における物体の記述方法とは異なり、物体の量子的な記述には、あまり定まったものがない。物体の性質がパッと見ただけで固定されるまでは、物体は広い空間に散らばり、さまざまな方向に回転しているかのように扱わなければならない。

この多数の可能性を支配するルールは「重ね合わせ」と呼ばれ、エンジニアに数学的なトリックの箱全体を提供する。これらは、数字を計算するための特殊なコンピューターとして、あるいは通信のセキュリティ対策に利用することができ、さらには超高感度の測定装置や画像処理装置に使用することもできる。

しかし、環境との相互作用のたびに、この可能性の雲は何らかの形で変化する。あるレベルでは、これは有用である。量子コンピューターは、粒子同士のもつれに依存して、その重ね合わせを微調整する。量子センサーは、周囲の環境を測定するために、重ね合わせと環境との間の正確な相互作用に依存している。

温度を上げれば、原子の揺れや電磁気の輝きによって、粒子の可能性というコヒーレントな音は簡単に退屈な電子の塊に変わってしまう。

ノイズを抑えるために超低温の液体を装置に送り込む資源があれば、これは大きな問題ではない。しかし、すべての物理学者が本当に夢見ているのは、氷点下をはるかに超える温度で装置を動かすことによってコストを抑える方法だ。

量子コンピューティングや量子センシングといった技術の最も基本的な構成要素となるのが量子ビットであり、分子の電子スピンを利用した分子性量子ビットは化学構造を精密に制御できるという利点から近年盛んに研究が進められている。

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1分子の色素を励起すると近傍の2分子間でエネルギーが共有されて2つの三重項状態を生成するが、その途中過程で五重項状態が生成する。

有機色素分子に光を照射して生じる励起状態には、2つの電子スピンの向きが逆向きで互いに打ち消しあった励起一重項状態と、打ち消しあっていない励起三重項状態が存在する。⼀重項分裂は、1分⼦の励起⼀重項状態から2つの励起三重項状態が生成される現象であり、この過程で五重項状態という特殊なスピン状態が生成される。五重項状態はスピン偏極した4つの電子スピンを持つことから、単一の電子スピンを用いる通常の量子ビットより高度な4量子ビットとしての利用可能性が期待されている。五重項状態の電子スピンを多重量子ビットとして用いるためには、マイクロ波による電子スピンの量子コヒーレンス生成が第一に必要となるが、これまで五重項状態の量子コヒーレンスを室温で観測した例はなく、どのように分子を設計すればそれを達成できるかという指針もなかった。

注目すべきは、発色団を用いれば、一重項分裂と呼ばれる過程を経て、室温で望ましい電子スピンを持つ電子を励起できることである。しかし、室温では量子ビットに格納された量子情報が量子重ね合わせや量子もつれを失ってしまう。その結果、量子コヒーレンスを実現できるのは、通常、液体窒素レベルの温度のみだった。

今回の新たなブレークスルーでは、研究者たちは有機金属骨格(MOF)と呼ばれる材料を利用し、この構造に、特定の波長の光を吸収・放出する発色団と呼ばれる分子を埋め込むことでこれを実現した。

「このMOFは、発色団を高密度に蓄積できるユニークなシステムです。さらに、結晶内部のナノ細孔によって、発色団は回転することができますが、その角度は非常に抑制されています」と九州大学の楊井伸浩氏は言う。

そうすることで、スピンが一致する発色団の電子のペアが、重ね合わせの新しい配列になるのです」。この現象は太陽電池技術では精査されてきたが、量子センシングの目的でいじられることはまだなかった。

MOF構造は、電子が三重項状態から五重項状態に遷移するのに十分なペンタセンユニットの運動を促進する一方で、五重項マルチエキシトン状態の量子コヒーレンスを維持するために室温での運動を十分に抑制した。研究チームは、マイクロ波パルスで電子を光励起すると、室温で100ナノ秒以上にわたって量子コヒーレンスを観測することができた。「これは、絡み合ったクインテットの量子コヒーレンスを室温で観測した初めての例です」と神戸大学の小堀康博教授は語る。

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⼀重項分裂により⽣成された五重項状態の量⼦コヒー レンスの⽣成 (Credit: Kyuushu University / Kobe University)

今回の研究は、五重項状態の量子コヒーレンスを観測可能なほど長時間維持するためには分子の運動を抑制的にすることが重要であることを明らかにし、五重項状態を量子ビットとして用いるための設計指針を示すものだ。

「この結果は、複数の量子ゲート制御に基づく室温分子量子コンピューティングや、さまざまな標的化合物の量子センシングへの扉を開くものです」と楊井氏は述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

一重項核分裂は、交換結合した五重項三重項対状態5TTを生成することができ、室温でももつれた多重量子ビットを用いた量子コンピュータや量子センシングの実現につながる可能性がある。しかし、5TTの量子コヒーレンスの観測は極低温に限られており、どのような材料設計をすれば室温での量子コヒーレンスを実現できるかが根本的な問題であった。今回我々は、発色団を集積化した有機金属骨格における一重項核分裂由来の5TTの量子コヒーレンスが、室温で100ナノ秒以上であることを示した。有機金属骨格内の秩序領域における発色団の運動が抑制されることで、5TT生成に必要な交換相互作用の揺らぎが十分に生じるが、同時に5TTの深刻なデコヒーレンスは生じない。さらに、量子ビートの位相と振幅が分子の運動に依存することから、多重量子ゲート制御に基づく室温分子量子コンピューティングへの道が開かれた。

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