分子一個の電子の磁気信号を検出する技術を開発 －分子スピンを利用した量子コンピューターキュービット構築に期待－

分子一個の電子の磁気信号を検出する技術を開発－分子スピンを利用した量子コンピューターキュービット構築に期待－

2023年1月24日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　米田忠弘
　　　　　　　　　　特任研究员　川口谅

　大学院理学研究科　助教　桥本克之

【発表のポイント】

直径3ナノメーター（ナノは10亿分の１）程度の分子一个の磁石（単分子磁石^＊１）を用いて従来の电子スピン共鸣（贰厂搁）^＊２と同等の精度の共鸣スペクトルを得ることに成功。
量子コンピューター応用に资する十分なエネルギー分解能をもったスピン検出がナノスケールで可能なことを実証。
复数スピンを用いた分子スピンの量子ビット（キュービット）^＊３実用化に期待。

【概要】

量子コンピューターの物理的単位を担う量子ビット（キュービット）の开発竞争が高まる中、すでに2000年に分子スピンが量子情报処理のデモンストレーションに用いられ、そのキュービットとしての优位性が証明されています。これは分子の优れた特性と电子スピン共鸣（贰厂搁）?核磁気共鸣（狈惭搁）^＊４电子机器の精度の高さに基づくものです。しかし、贰厂搁/狈惭搁検出感度が非常に小いため信号検出に10亿个の分子のスピン集団が必要とされ、小さな领域に复数のキュービットを実装する次世代の量子コンピューター构筑のための问题となっていました。

东北大学多元物质科学研究所の川口谅特任研究員と米田忠弘教授、同大学大学院理学研究科の橋本克之助教と山下正廣名誉教授、八戸工業高等専門学校の角館俊行助教、城西大学大学院理学研究科の加藤恵一准教授による共同研究グループは、分子一個で磁石の性質を示す単分子磁石である、テルビウム?フタロシアニン錯体（TbPc2）分子を磁場中のトンネル接合に配置し、ラジオ波（RF）を入射することで、直径3 ナノメーター（nm）程度の分子一個から従来の化学分析に用いられるESRと同等の精度でESR信号を検出することに成功しました。これは、分子一個のスピンキュービットを小さなデバイスに複数実装した量子コンピューターへの道を開くものであります。

本研究成果は、2022年12月31日付けで、米国化学会が発行するナノサイエンスとナノテクノロジーの専門誌『Nano Letters』にオンライン掲載されました。

図１　走査トンネル顕微镜を用いた単一分子贰厂搁测定

【用语解説】

*1　単分子磁石
分子1つが磁石のような性质を示す物质群。分子内の设计により分子内中心にある金属のスピン方向（磁化の向き）を保持できる特性がある。近年、キュービットの有力候补の一つとして注目を集めている。

*2　电子スピン共鸣（贰厂搁）
电子が持つ磁石（电子スピン）が、磁场下で固有の周波数の电磁场を吸収する现象。これを测定することで、分子の构造や电子状态などについて、详细な情报を与え、化学、物理学、生物学、医学や多様な物质科学的研究に応用できる测定法である。

*3　量子ビット（キュービット）
量子力学を応用した次世代の计算机である量子コンピューターで扱われる情报の最小単位。従来のコンピューターで扱われるビットは、情报の最小単位を0か1だけで表したが、量子ビットでは、0と1のほか、0と1とを重ね合わせた状态も使うことで计算の高速化が可能である。

*4　核磁気共鸣（狈惭搁）
原子核が持つ磁石（核スピン）が、磁场下で固有の周波数を持つ电磁场を吸収する现象。これをを测定することで分子の构造や电子状态などについて、详细な情报を与え、医疗で使われる磁気共鸣イメージングを始めとして化学、物理学、生物学、医学や多様な物质科学的研究に応用できる测定法である。

详细（プレスリリース本文）