[論文レビュー] Quantum Computing in Molecular Magnets

Michael N. Leuenberger, Daniel Loss|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2000

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Fe8 や Mn12 などの分子磁石を固体状態量子ビットとして用い、グローバーの量子探索アルゴリズムを実装する手法を提案している。大きなスピン基底状態を有する分子磁石を単粒子量子系として利用することで、10⁻¹⁰ 秒という高速なアクセス時間で、最大 10⁵ 個の数を電子スピン共鳴パルスを用いて記憶可能な高密度の動的ランダムアクセスメモリとして単一結晶が機能することを示している。

ABSTRACT

Shor and Grover demonstrated that a quantum computer can outperform any classical computer in factoring numbers and in searching a database by exploiting the parallelism of quantum mechanics. Whereas Shor's algorithm requires both superposition and entanglement of a many-particle system, the superposition of single-particle quantum states is sufficient for Grover's algorithm. Recently, the latter has been successfully implemented using Rydberg atoms. Here we propose an implementation of Grover's algorithm that uses molecular magnets, which are solid-state systems with a large spin; their spin eigenstates make them natural candidates for single-particle systems. We show theoretically that molecular magnets can be used to build dense and efficient memory devices based on the Grover algorithm. In particular, one single crystal can serve as a storage unit of a dynamic random access memory device. Fast electron spin resonance pulses can be used to decode and read out stored numbers of up to 10^5, with access times as short as 10^{-10} seconds. We show that our proposal should be feasible using the molecular magnets Fe8 and Mn12.

研究の動機と目的

• 分子磁石を量子情報処理の物理的プラットフォームとして利用可能かどうかを検討すること。
• 長寿命のコherencte 時間と高速アクセスを備えたスケーラブルな固体状態量子メモリを構築する課題に対処すること。
• 分子磁石における単粒子スーパポジション状態が、グローバーの量子探索アルゴリズムを実装可能かどうかを示すこと。
• 単一の分子磁石結晶を用いた動的ランダムアクセスメモリの実用的アーキテクチャを提案すること。
• Fe8 や Mn12 などの既知の分子磁石を用いて、この手法の実験的実現可能性を評価すること。

提案手法

• 分子磁石（例：Fe8、Mn12）の大きなスピン基底状態を二準位量子系（量子ビット）として利用する。
• 多粒子もつれを必要とせず、スピン状態のコherentな重ね合わせを用いてグローバーのアルゴリズムを実装する。
• 電子スピン共鳴（ESR）パルスを適用して、分子磁石内の量子状態を操作および読み出す。
• 各分子磁石が量子メモリアレイ内の量子ビットとして機能する単結晶アレイとしてシステムをモデル化する。
• 時間に依存するハミルトニアンを用いて、グローバーの拡散およびオракル操作の下での時間発展をシミュレートする。
• 分子磁石が有する高い異方性と長寿命のデコherence 時間を活用し、計算中に量子コherencte を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大きなスピン基底状態を有する分子磁石は、量子計算用の実用的量子ビットとして適しているか？
• RQ2 単一粒子の重ね合わせのみを用いて、固体状態系でグローバーの量子探索アルゴリズムを実現可能か？
• RQ3 電子スピン共鳴パルスは、分子磁石に記憶された量子状態を高速かつ選択的に読み出すことができるか？
• RQ4 単一の分子磁石結晶に、最大何個の量子状態を記憶およびアクセスできるか？
• RQ5 Fe8 や Mn12 などの既知の分子磁石を用いて、提案された手法は実験的に実現可能か？

主な発見

• Fe8 や Mn12 などの分子磁石は、長寿命のスピンコherencte 時間と大きなスピン基底状態を有し、量子ビット実装に適している。
• システムはスピン状態のコherentな重ね合わせをサポートしており、多粒子もつれを必要とせずグローバーのアルゴリズムを実装可能である。
• 単一の分子磁石結晶は最大 10⁵ 個の数を記憶でき、高密度量子メモリの能力を示している。
• 電子スピン共鳴パルスを用いることで、記憶データの読み取りアクセス時間は 10⁻¹⁰ 秒にまで短縮できる。
• 理論的分析により、Fe8 や Mn12 における現在の実験的パラメータでこの手法が実現可能であることが確認された。
• 提案されたアーキテクチャは、量子並列性に基づく動的ランダムアクセスメモリ機能を実現可能であり、スケーラビリティの可能性を有する。