量子力学の奇妙な法則に従って動作する量子コンピュータは、いつの日か 世界を変革する可能性がある。 強力な実用機の構築に一度成功すれば、今日のコンピュータが計算に数百万年を要する一部の問題を解けるようになるだろう。
コンピュータは情報の符号化にビット（0または1）を用いる。量子コンピュータは、0と1の間の任意の値をとりうる「量子ビット」を用いるため、膨大な処理能力を備えている。しかし量子システムは扱いが極めて難しいことで知られており、実用機の構築には進展がみられるものの、一部の 提案されている用途、この課題は依然として困難である。しかし、「分子スピントロニクス」と呼ばれる新たなアプローチが、新たな希望をもたらしている。
1997年、理論物理学者のダニエル・ロスとデイビッド・ディビンチェンゾは、量子コンピュータの作成に必要な一般的な規則を示した。通常の電子機器は電荷を用いて情報を0と1で表すのに対し、量子コンピュータは多くの場合、電子の「スピン」状態を用いて量子ビットを表す。
スピンは、基本的な物理量であり、量子力学を通じて学んだものである。残念ながら、日常経験に正確に対応するものはないが、自転する惑星の例えが用いられることもある。
電子が「アップ」と「ダウン」と呼ばれる2つの異なる方向、すなわち「状態」でスピンすることは分かっている。量子力学によれば、物質中の各電子は、これらの状態の組み合わせ（重ね合わせ）でスピンしており、一定の割合でアップ、一定の割合でダウンの状態にある。そのため、0か1だけでなく、これほど多くの値をとることができる。
ロスとディビンチェンゾが提示した量子コンピュータ構築のための5つの要件には、システムを拡張できる可能性が含まれていた。量子ビットが多いほど、より大きな処理能力が得られる。もう一つは、符号化された情報を妥当な時間にわたって保持することであり、ほかの要件は、物理システムの初期化、操作、読み出しに関するものであった。
当初は構想されていたものの、半導体の微小粒子中の電子スピンに基づく量子コンピュータ向けの提案は、現在では多くの物理システムで実装されており、その中にはイオントラップ、超伝導体およびダイヤモンドが含まれる。
しかし残念ながら、これらは動作に、ほぼ完全な真空、極めて低い温度、そして外乱のない環境を必要とする。また、拡張することも困難である。
分子スピントロニクス
スピントロニクスは、電荷ではなくスピンに基づくエレクトロニクスの一形態である。スピンは微小な磁場を発生させるため、測定が可能である。この技術は、スピンの操作と測定に半導体をしばしば用いており、すでに大きな影響を及ぼしており、ハードディスクの情報記憶の改善に寄与している。
現在、科学者たちは、炭素原子の環を含む有機分子でもスピントロニクスを実現できることに気づきつつある。そしてそれは、もう一つの研究分野である「分子エレクトロニクス」と結びつくものであり、これは単一分子や分子の薄膜から電子デバイスを構築することを目指している。
この組み合わせは有用であることが示されている。分子内で電子のスピンを慎重に制御・操作することで、実際に量子計算を行えることが分かった。分子上の電子スピン状態の準備と読み出しは、電場または磁場を照射することで行われる。
炭素系有機分子や高分子半導体もまた、拡張の容易さという基準を満たしている。これらは分子フレームワークを形成する能力によってそれを実現しており、その内部では分子量子ビットが互いに近接して配置される。単一分子の極めて小さなサイズは、多数の分子を小さなチップ上に自然と高密度に詰め込むことを有利にする。
さらに、有機材料は他の電子材料よりも量子スピンを乱す度合いが小さい。これは、炭素や水素など比較的軽い元素で構成されており、スピンをもつ電子との相互作用が弱まるためである。これにより、スピンが容易に状態反転することが避けられ、最大で数マイクロ秒に及ぶ長期間にわたってスピンが保持される。
ある一つのプロペラ形状の分子では、この持続時間は最大で1ミリ秒に達することもある。この比較的長い時間は、操作の実行に十分であり、もう一つの大きな利点である。
残された課題
しかし、まだ学ぶべきことが多く残されている。有機分子上でスピン寿命が長くなる原因を理解することに加え、これらのスピンが有機回路内でどの程度の距離を伝搬できるかを把握することは、効率的なスピンベースの電子回路を構築するために必要である。以下の図は、この目標に向けた探索的な有機スピントロニクスデバイスに関する構想の一部を示している。
こうしたデバイスを効率的に動作させるうえでも大きな課題がある。有機材料中でスピンを運ぶ帯電した電子は、移動の際に分子から分子へと絶えず飛び移る。この飛び移り現象は残念ながら電気的ノイズの発生源となり、従来型のアーキテクチャを用いて微小なスピン電流の特徴を電気的に測定することを困難にしている。とはいえ、比較的新しい手法として知られるスピンポンピングは、有機材料において低ノイズでスピン電流を生成するのに適している可能性がある。
有機分子を将来の量子技術における有力な候補とするうえでのもう一つの問題は、単一分子、またはごく少数の分子上でスピンをコヒーレントに制御・測定する能力である。この大きな課題は現在、大きな進展を見せている。例えば、「グローバーの検索アルゴリズム」として知られる量子コンピュータ向けの単純なプログラムが、最近実装され、単一の磁性分子上で動作することが示された。このアルゴリズムは、未整列のデータベースに対する検索に要する時間を大幅に削減することが知られている。
別の報告では、分子のアンサンブルがハイブリッド超伝導デバイスに首尾よく統合された。これは、分子スピン量子ビットを既存の量子アーキテクチャと組み合わせることの概念実証を提供するものであった。
まだ多くの課題が残されているものの、現状では分子スピン系は量子技術において多くの新たな用途を急速に見いだしつつある。小型で長寿命のスピンを持つという利点から、それらが量子技術のロードマップにおける地位を確固たるものにするのは時間の問題にすぎない。
