RUI: Using Colloidal Nanoparticles to Host Photogenerated Spin Qubit Pairs

RUI:使用胶体纳米粒子承载光生自旋量子位对

基本信息

  • 批准号:
    2154372
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 38.67万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-08-01 至 2025-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

WIth support from the Chemical Structure, Dynamics & Mechanisms-B Program of the Chemistry Division, Jacob Olshansky of the Department of Chemistry and Jonathan Friedman of the Department of Physics and Astronomy at Amherst College will be developing and analyzing a new nanoparticle-based system that has potential to serve as a class of quantum bits (qubits) that can be initiated with light. The development of quantum computers and other quantum information science (QIS) technologies has received significant attention in recent years owing to its promise to revolutionize computing. However, the specific molecular systems that will comprise the qubits in these devices remain a challenge. In the current work, the Amherst team focuses on photogenerated (light-initiated) spin qubits that are designed to be generated in well-defined quantum states without requiring expensive millikelvin cooling devices. The team will explore a new nanoparticle-molecule conjugate system for hosting these photogenerated spin qubits. They will characterize these conjugates with both time-resolved optical and spin resonance measurements to evaluate their utility as qubit candidates. The investigations will involve undergraduate students in cutting-edge research that is both interdisciplinary and highly collaborative. The students trained through this work will be better positioned to pursue careers in the burgeoning field of QIS. Photogenerated spin qubit pairs (SQP) offer a promising platform for the development of QIS technologies since they are generated in well-defined (non-Boltzmann populated) spin states. The proposed work aims to expand the scope of the materials that can host these photogenerated SQPs. Specifically, conjugates of nanoparticles and organic molecules offer potential advantages over the all-organic systems typically used to support SQPs. These conjugates are expected to be synthetically tunable, and the unique spin environment provided by the nanoparticle may allow for qubit specific addressability within the qubit pair. The initial work suggests that SQPs hosted by conjugates of ZnO nanoparticles and organic dye molecules can be detected and characterized with electron paramagnetic resonance (EPR) techniques. The research team aims to build a deeper understanding of the spin states in these conjugates through iterative synthetic modifications and spin-state characterization using both custom-built and commercial EPR spectrometers. They plan to demonstrate spin-specific addressability and perform spin-qubit manipulations on multi-spin systems hosted by ZnO nanoparticles. Ultimately, the work could provide researchers with both new materials and potentially new techniques for exploring photogenerated SQPs in the context of QIS applications.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在化学系化学结构、动力学和机制 B 项目的支持下,阿默斯特学院化学系的 Jacob Olshansky 和物理与天文学系的 Jonathan Friedman 将开发和分析一种新的基于纳米颗粒的系统,该系统有潜力成为一类可以用光启动的量子比特(qubit)。近年来,量子计算机和其他量子信息科学(QIS)技术的发展因其有望彻底改变计算而受到广泛关注。然而,构成这些设备中的量子位的特定分子系统仍然是一个挑战。 在当前的工作中,阿默斯特团队专注于光生(光引发)自旋量子位,这些自旋量子位被设计为在明确定义的量子态下生成,而不需要昂贵的毫开尔文冷却设备。该团队将探索一种新的纳米颗粒-分子共轭系统来承载这些光生自旋量子位。他们将通过时间分辨光学和自旋共振测量来表征这些缀合物,以评估它们作为量子位候选者的效用。这些调查将让本科生参与跨学科和高度协作的尖端研究。通过这项工作接受培训的学生将能够更好地在新兴的 QIS 领域追求职业生涯。光生自旋量子位对 (SQP) 为 QIS 技术的开发提供了一个有前途的平台,因为它们是在明确定义的(非玻尔兹曼填充的)自旋态中生成的。拟议的工作旨在扩大可以容纳这些光生 SQP 的材料的范围。具体而言,纳米粒子和有机分子的缀合物比通常用于支持 SQP 的全有机系统具有潜在优势。这些缀合物预计是合成可调的,并且纳米颗粒提供的独特自旋环境可以允许量子位对内的量子位特异性可寻址性。 初步工作表明,由 ZnO 纳米颗粒和有机染料分子的缀合物承载的 SQP 可以通过电子顺磁共振 (EPR) 技术进行检测和表征。研究团队旨在通过使用定制和商用 EPR 光谱仪进行迭代合成修饰和自旋态表征,更深入地了解这些缀合物中的自旋态。他们计划展示自旋特异性可寻址性,并在 ZnO 纳米粒子托管的多自旋系统上执行自旋量子位操作。最终,这项工作可以为研究人员提供新材料和潜在的新技术,以在 QIS 应用中探索光生 SQP。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查进行评估,被认为值得支持标准。

项目成果

期刊论文数量(1)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Quantum Dot–Organic Molecule Conjugates as Hosts for Photogenerated Spin Qubit Pairs
量子点——有机分子共轭物作为光生自旋量子位对的主体
  • DOI:
    10.1021/jacs.2c11952
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15
  • 作者:
    Lee, Autumn Y.;Colleran, Troy A.;Jain, Amisha;Niklas, Jens;Rugg, Brandon K.;Mani, Tomoyasu;Poluektov, Oleg G.;Olshansky, Jacob H.
  • 通讯作者:
    Olshansky, Jacob H.
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Jacob Olshansky其他文献

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    $ 38.67万
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