分子性単一イオン磁石における3量子ビット状態のコヒーレント操作

本研究では、ポリオキソメタレート分子内に捕捉され、反磁性Y^3+誘導体の結晶中に希釈された、ほぼ等方的なGd^3+イオンの量子スピンダイナミクスを調査する。全エネルギー準位スペクトルおよび磁気異方性軸の配向は、X-band（9--10 GHz）空洞ならびにオンチップ超伝導導波路および1. 5-GHz共振器を用いた連続波電子常磁性共鳴実験により決定された。その結果、2S+1スピン状態間の7つの許容遷移を個別にアドレッシングできることが示された。適切に配向された単結晶において、これらの各遷移についてスピンコヒーレンスT₂およびスピン-格子緩和T₁速度が測定された。結果は、量子スピンコヒーレンスが隣接する電子スピンとの残留双極子相互作用によって制限されていることを示唆している。すべての遷移についてコヒーレントなラビ振動が観察された。ラビ周波数はマイクロ波出力とともに増加し、分子スピンのスピンハミルトニアンに基づく予測と定量的に一致している。我々は、各Gd^3+イオンのスピン状態が3つのアドレッシング可能な量子ビット（あるいはd=8準位の「qudit」）の状態に対応付けることができ、その7つの許容遷移が普遍的な操作セットを形成すると論じる。このスキーム内において、実験的に観察されたコヒーレント振動の1つは、制御・制御・NOT（またはToffoli）3量子ビットゲートの実装を提供する。