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Molecular Optimization for Nuclear Spin State Control via a Single Electron Spin Qubit by Optimal Microwave Pulses: Quantum Control of Molecular Spin Qubits
Applied Magnetic Resonance ( IF 1 ) Pub Date : 2021-08-03 , DOI: 10.1007/s00723-021-01392-5
Taiki Shibata 1 , Satoru Yamamoto 1 , Shigeaki Nakazawa 1 , Kenji Sugisaki 1, 2, 3 , Koji Maruyama 1 , Kazuo Toyota 1 , Daisuke Shiomi 1 , Kazunobu Sato 1 , Takeji Takui 1, 4 , Elham Hosseini Lapasar 5
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Quantum state control is one of the most important concepts in advanced quantum technology, emerging quantum cybernetics and related fields. Molecular open shell entities can be a testing ground for implementing quantum control technology enabling us to manipulate molecular spin quantum bits (molecular spin qubits). In well-designed molecular spins consisting of unpaired electron and nuclear spins, the electrons and nuclear spins can be bus and client qubits, respectively. Full control of molecular spin qubits, in which client spins interact via hyperfine coupling, is a key issue for implementing quantum computers (QCs). In solid-state QCs, there are two approaches to the control of nuclear client qubits, namely, direct control of nuclear spins by radio-wave (RF) pulses and indirect control via hyperfine interactions by microwave pulses applied to electron spin qubits. Although the latter is less popular in the literature, the indirectness has advantage of greatly reducing unnecessary interactions between a qubit system and its environment. In this work, we investigate molecular spin optimization to find optimal experimental conditions which can afford to achieve the high fidelity of quantum gates by the indirect control scheme. In the present quantum systems, one electron is directly controlled by pulsed ESR techniques without manipulating individual hyperfine resonance, but the states of two nuclear client spins are indirectly steered via hyperfine interactions. Single crystals of potassium hydrogen maleate (KHM) radical and 13C-labeled malonyl radical are chosen as typical molecular spin qubits which exemplify the importance of the symmetry of hyperfine tensors and their collinear properties. We have found that both the non-collinearity of the principal axes of hyperfine coupling tensors and the non-distinguishability/non-equivalency between nuclear spins are key issues which extremely reduce the gate fidelity.



中文翻译:

通过最佳微波脉冲通过单电子自旋量子位进行核自旋状态控制的分子优化:分子自旋量子位的量子控制

量子态控制是先进量子技术、新兴量子控制论及相关领域中最重要的概念之一。分子开壳实体可以成为实施量子控制技术的试验场,使我们能够操纵分子自旋量子位(分子自旋量子位)。在由未配对电子和核自旋组成的精心设计的分子自旋中,电子和核自旋可以分别是总线和客户端量子位。完全控制分子自旋量子位,其中客户端自旋通过超精细耦合相互作用,是实现量子计算机 (QC) 的关键问题。在固态 QC 中,有两种控制核客户端量子位的方法,即,通过无线电波 (RF) 脉冲直接控制核自旋,通过施加到电子自旋量子位的微波脉冲通过超精细相互作用间接控制。尽管后者在文献中不太流行,但间接性的优势在于大大减少了量子位系统与其环境之间不必要的交互。在这项工作中,我们研究了分子自旋优化,以找到能够通过间接控制方案实现量子门高保真度的最佳实验条件。在目前的量子系统中,一个电子由脉冲 ESR 技术直接控制,无需操纵单个超精细共振,但两个核客户端自旋的状态通过超精细相互作用间接控制。马来酸氢钾(KHM)自由基单晶和 尽管后者在文献中不太流行,但间接性的优势在于大大减少了量子位系统与其环境之间不必要的交互。在这项工作中,我们研究了分子自旋优化,以找到能够通过间接控制方案实现量子门高保真度的最佳实验条件。在目前的量子系统中,一个电子由脉冲 ESR 技术直接控制,无需操纵单个超精细共振,但两个核客户端自旋的状态通过超精细相互作用间接控制。马来酸氢钾(KHM)自由基单晶和 尽管后者在文献中不太流行,但间接性的优势在于大大减少了量子位系统与其环境之间不必要的交互。在这项工作中,我们研究了分子自旋优化,以找到能够通过间接控制方案实现量子门高保真度的最佳实验条件。在目前的量子系统中,一个电子由脉冲 ESR 技术直接控制,无需操纵单个超精细共振,但两个核客户端自旋的状态通过超精细相互作用间接控制。马来酸氢钾(KHM)自由基单晶和 我们研究了分子自旋优化,以找到能够通过间接控制方案实现量子门高保真度的最佳实验条件。在目前的量子系统中,一个电子由脉冲 ESR 技术直接控制,无需操纵单个超精细共振,但两个核客户端自旋的状态通过超精细相互作用间接控制。马来酸氢钾(KHM)自由基单晶和 我们研究了分子自旋优化,以找到能够通过间接控制方案实现量子门高保真度的最佳实验条件。在目前的量子系统中,一个电子由脉冲 ESR 技术直接控制,无需操纵单个超精细共振,但两个核客户端自旋的状态通过超精细相互作用间接控制。马来酸氢钾(KHM)自由基单晶和 但是两个核客户端旋转的状态是通过超精细交互间接控制的。马来酸氢钾(KHM)自由基单晶和 但是两个核客户端旋转的状态是通过超精细交互间接控制的。马来酸氢钾(KHM)自由基单晶和13 C 标记的丙二酰基自由基被选为典型的分子自旋量子位,这体现了超精细张量的对称性及其共线特性的重要性。我们发现,超精细耦合张量主轴的非共线性和核自旋之间的不可区分性/非等价性是极大降低门保真度的关键问题。

更新日期:2021-08-03
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