量子ダイヤモンドシングルスピン分光法 | 光学検出磁気共鳴 (ODMR)

スペクトル分析と構造分析への応用

CIQTEK 量子ダイヤモンドシングルスピン分光法は、生体高分子の構造と機能の解析、単分子イメージング、細胞内イメージング、細胞選別などに応用でき、測定スケールはナノメートルからマイクロメートルオーダーに及びます。

- 単一タンパク質および単一分子の電子常磁性共鳴 (EPR)

周囲条件における個々のタンパク質分子の EPR (ESR) 分光法は、NV 中心と外部電子スピンの間の相互作用を分析することによって研究されました。ナノスケールまたはシングルスピンレベルでさえ材料を測定すると、アンサンブルの統計的平均によって隠された情報が得られ、材料の構造や特性をより根本的に理解することができます。

- ナノスケール核磁気共鳴

単分子NMRの分野は近年急速な進歩を遂げています。2016 年に、この技術を使用して個々のタンパク質の NMR スペクトルが取得されました。技術の発展により、化学シフトの分解能は飛躍的に向上しました。1Hz（サンプル量：ピコリットル）の分解能を実現し、単細胞スケールのNMRを実現します。

-生細胞内の温度、磁場、活動電位の検出

ダイヤモンドナノ粒子のNVセンターを応用して生細胞をリアルタイムで追跡すると、ナノスケールの局所温度測定が可能になり、がん細胞などの活性状態における局所温度の変化や生理学的状態のフィードバックを監視することができます。線虫の単一ニューロンの活動電位を検出するための NV カラーセンターの応用は、神経科学の分野におけるこの技術の応用の基礎を築きました。走磁性細菌の磁場イメージングは​​、NVセンターの磁気特性を応用することで実現します。

量子コンピューティングにおける応用

- 量子コンピューティング

量子コンピューティングとは、量子力学的現象を利用して、データ操作を実行するコンピューティング システムを研究することを指します。

- 量子ビットとしてのダイヤモンド NV センター

ダイヤモンドの NV センタースピンは、周囲条件で高効率で初期化、操作、読み出しが可能であり、コヒーレンス時間が長く、理想的な量子ビットです。

- 量子コンピューティングの応用例

> 高忠実度の量子制御

マイクロ波パルスを使用して、NV 中心のスピン状態の反転を制御し、量子ゲートを形成できます。単一量子ビット量子ゲートの動作忠実度は、パルス シーケンスの洗練された設計により 99.99 % に達します。これは単一量子ビット量子ゲートの忠実度の現在の記録であり、フォールト トレランスのしきい値に達しています。

> 量子アルゴリズム

量子アルゴリズムは、量子の重ね合わせ、並列性、もつれ、測定の崩壊など、量子力学の多くの基本的な特性を使用します。これらの物理的特性は、計算効率の向上に大きく役立ち、まったく新しい計算モードである量子アルゴリズムを形成します。室温量子コンピュータ実現に向けて重要なステップであるD-Jアルゴリズムと大数因数分解アルゴリズムをNVセンターを用いて実証

> 量子誤り訂正

古典的コンピューティングでも量子コンピューティングでも、エラーは常に避けられません。古典的な情報処理では、エラーの可能性を減らすためにコーディングがよく使用されます。同様に、量子計算においても、量子誤り訂正によって誤りの発生確率を低減することができます。ダイヤモンドの電子スピンは高速に動作できますが、核スピンはコヒーレンス時間が長くなります。電子スピンと近接核スピンで構成されるハイブリッド システムは、量子計算のスケーラビリティに向けた重要なステップである量子誤差補正プロセスを実証するために使用されます。