2023年1月24日、東北大学は、分子1個の電子の磁気信号を検出することに成功したというプレスリリースを発表した。では、分子1個の電子の磁気信号を検出することで、どんな可能性が広がるのだろうか。今回は、こんな話題について紹介したいと思う。
次世代量子コンピュータの実現にまた1歩近づく！
東北大学の川口諒特任研究員、米田忠弘教授、橋本克之助教、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、城西大学の加藤恵一准教授らの共同研究グループは、分子1個の電子の磁気信号を検出することに成功したと発表した。
では、「分子1個の電子の磁気信号を検出」とはどのようなことだろうか。分子1個レベルの磁気信号を検出することは、これまで非常に難しいとされてきた。そこで彼らは、分子1個で磁石の性質を示す単分子磁石の「テルビウム・フタロシアニン錯体」(TbPc2)分子を用いたという。また磁気信号の検出には、高い空間分解能と高いトンネル電流の検出感度を持った走査型トンネル顕微鏡を利用した。
そして、TbPc2分子に金属探針から交流電界を照射し、電子スピンが磁場環境下で特定の周波数の電磁場を吸収する「電子スピン共鳴(ESR)」という現象を使って、直径たった3nmほどの分子1個に対するESRの測定に成功したのだ。その結果が以下の図だ。右側のグラフの18.5GHz付近に、高いパルス上の波形が確認できるだろう。これがESRの信号だ。
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走査トンネル顕微鏡を用いた単一分子ESR測定の概要図と結果(出典:東北大学)
ではこのことは、何を意味するのか。この研究成果は、とても高い精度のESR検出感度を得られることが実証され、十分なエネルギー分解能を持ったスピン検出がナノスケールでも可能であることを意味しているという。
量子コンピュータの物理的単位である量子ビット(キュービット)の重要性が認識される現在、量子情報処理のデモンストレーションでは分子スピンがすでに用いられ、その優位性が証明されている。しかし従来の手法では、ESRや核磁気共鳴(NMR)の検出感度が非常に低く、検出には10億個の分子のスピン集団が必要となるなど、次世代量子コンピュータ実現への課題となっている。
しかし今回、ナノスケールの分子1個から、従来の化学分析に用いられるものと変わらない精度でESR信号を検出することに成功したため、分子1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ことができる、とても価値のある研究成果なのだ。
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東北大学の研究チームが成功した磁気信号の検出で、次世代量子コンピュータの実現に大きく近づいたかもしれない
なお、この研究成果は2022年12月31日に米国化学会の『Nano Letters』にオンライン掲載されている。
いかがだったろうか。この研究成果は、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大きく期待される、素晴らしい研究成果だ。どんな量子コンピュータが実現するだろうか。とても楽しみだ。
