先端コンピューターモデリングが分子量子ビット性能を予測(Advanced computer modeling predicts molecular-qubit performance)

2025-08-21 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

アルゴンヌ国立研究所とシカゴ大学の研究チームは、分子キュービット性能を高精度に予測する計算モデルを開発しました。対象はクロム系分子で、磁気特性の中でもゼロ磁場分裂(ZFS)を正確に計算し、実験値と良く一致しました。ZFSは外部磁場がなくてもスピン状態が分裂する現象で、量子ビットの制御精度やコヒーレンス時間に大きく影響します。解析により、ZFSはクロム中心周囲の結晶構造や電場に左右されることが判明し、分子設計の指針が得られました。これにより、量子ビットの寿命延長や安定化に役立つ分子設計が可能になります。本研究成果はJournal of the American Chemical Society誌に掲載され、DOE支援の量子情報科学研究センター「Q-NEXT」プロジェクトの一環として実施されました。

先端コンピューターモデリングが分子量子ビット性能を予測(Advanced computer modeling predicts molecular-qubit performance)
Scientists have developed a computational method for predicting the performance of chromium molecular systems, shown here. (Image by Lorenzo Baldinelli.)

<関連情報>

マトリックスモジュラリティを用いたCr⁴⁺分子キュービットのスピン構造を設計するためのルール Design Rules to Engineer the Spin Structure of Cr4+ Molecular Qubits via Matrix Modularity

Lorenzo Baldinelli,Diego Sorbelli,Michael Toriyama,Giovanni Bistoni,Filippo De Angelis,and Giulia Galli
Journal of the American Chemical Society  Published: June 5, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c04004

Abstract

Using a multilevel computational approach, we predict the zero-field splitting (ZFS) parameters of Cr(IV) molecular qubits with unprecedented accuracy, obtaining results in excellent agreement with experiments. We then apply the protocol to Cr(IV) molecular color centers embedded in non-isostructural tin host matrices. We show that by simply altering the matrix composition, one can effectively modify the relative energies of the spin sublevels, thus enabling a fine-tuning of the qubit’s magnetic anisotropy for optimal performance in quantum technologies. We identify two effects influencing matrix design: the molecular symmetry of the qubit and the presence of inhomogeneous electrostatic fields arising from the chemical composition of the matrix. Finally, we compute spin-coherence times and discuss their sensitivity to the matrix environment through the ZFS parameters. Our work provides predictive strategies for tailoring the spin structure and coherence properties of molecular color centers through a rational control of their matrix environment.

0500化学一般
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