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.
在化学部的化学结构,动力学和机制-B计划的支持下,化学系的雅各布·奥尔山斯基(Jacob Olshansky)和阿默斯特学院(Amherst College)物理与天文学系的乔纳森·弗里德曼(Jonathan Friedman)将开发和分析一个新的基于纳米粒子的系统,该系统有可能与量子(Qubits)一起使用,该系统可能会与Lights一起使用。量子计算机和其他量子信息科学(QIS)技术的开发近年来由于其对革新计算的承诺而受到了极大的关注。但是,将构成这些设备中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(光发射)旋转量子台,这些旋转量子矩阵旨在在明确定义的量子状态下生成,而无需昂贵的Millikelvin冷却设备。该团队将探索一种新的纳米颗粒 - 分子共轭系统,用于托管这些光生旋转量子。他们将通过时间分辨的光学和自旋共振测量值来表征这些偶联物,以评估它们作为Qubit候选物的效用。调查将使本科生参与跨学科且高度协作的尖端研究。通过这项工作培训的学生将在QIS新兴领域从事职业。光生的自旋量子置量对(SQP)为开发QIS技术提供了一个有前途的平台,因为它们是在定义明确的(非Boltzmann人群的)旋转状态下生成的。拟议的工作旨在扩大可以托管这些光生成SQP的材料的范围。具体而言,纳米颗粒和有机分子的结合物比通常用于支持SQP的全有机系统具有潜在的优势。这些结合物有望在综合上进行调谐,纳米颗粒提供的独特自旋环境可能允许量子对内的量子定量特定性。 最初的工作表明,可以通过电子顺磁共振(EPR)技术来检测并表征由ZnO纳米颗粒和有机染料分子的共轭物托管的SQP。研究小组的目的是通过迭代合成修饰和使用定制和商业EPR光谱仪,通过迭代合成修饰和自旋表征来更深入地了解这些偶联物中的旋转状态。他们计划展示特定于自旋的可话性,并对由ZnO纳米颗粒托管的多旋转系统进行自旋量操作。最终,这项工作可以为研究人员提供新的材料和潜在的新技术,以探索QIS应用程序的光生SQP。该奖项反映了NSF的法定任务,并认为值得通过基金会的知识分子优点和更广泛的影响来通过评估来提供支持。

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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  • 资助金额:
    $ 38.67万
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