[論文レビュー] Simulating conical intersections with trapped ions

Jacob Whitlow, Zhubing Jia+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、捕獲イオンを用いた量子シミュレータを用いて、分子系における円錐的交差に起因する幾何位相の初の実験的観測を示した。イオンの量子ビットに電子状態を符号化し、振動モードに核座標を符号化することで、状態依存のレーザー力によるスピン・ボソンハミルトニアンを介して円錐的交差を模擬し、干渉パターンを測定することで非アーベル的幾何位相が確認された。これは分子量子力学的ダイナミクスにおける重要な予測の妥当性を裏付けた。

ABSTRACT

Conical intersections are common in molecular physics and photochemistry, and are often invoked to explain observed reaction products. A conical intersection can occur when an excited electronic potential energy surface intersects with the ground electronic potential energy surface in the coordinate space of the nuclear positions. Theory predicts that the conical intersection will result in a geometric phase for a wavepacket on the ground potential energy surface. Although conical intersections have been observed experimentally, the geometric phase has not been observed in a molecular system. Here we use a trapped atomic ion system to perform a quantum simulation of a conical intersection. The internal state of a trapped atomic ion serves as the electronic state and the motion of the atomic nuclei are encoded into the normal modes of motion of the ions. The simulated electronic potential is constructed by applying state-dependent forces to the ion with a near-resonant laser. We experimentally observe the geometric phase on the ground-state surface using adiabatic state preparation followed by motional state measurement. Our experiment shows the advantage of combining spin and motion degrees of freedom in a quantum simulator.

研究の動機と目的

• 制御可能な量子プラットフォームを用いて、分子光化学に重要である円錐的交差をシミュレートすること。
• 円錐的交差付近におけるベリー位相理論が予測する幾何位相を実験的に観測すること。
• スピン・モードのエンタングルメントを用いた非断熱的量子ダイナミクスのシミュレーションにおいて、捕獲イオンの有用性を示すこと。
• 実際の分子では観測困難な系において、幾何位相の干渉が理論的予測通りに実現可能であるかを検証すること。

提案手法

• 40Ca+イオン1個を量子ビットとして用い、電子状態を表す。核座標はその運動モードに符号化する。
• スピン・ボソンハミルトニアンを介して、状態依存のレーザー力を適用し、2次元の円錐的交差ポテンシャルを模擬する。
• 時間依存のラビ周波数を用いた断熱的遷移により、円錐的交差周辺の基底状態波動関数を準備する。
• 2次元のフーリエ変換測定を実現するため、補助的なイオンを用いて状態依存の変位を実行し、運動モード波動関数を測定する。
• 連続的なレーザーパルスを用いてハミルトニアンのトレッター化を実装し、スピン・ボソンモデル下での時間発展をシミュレートする。
• キャリブレーションされた変位操作とスピン測定を用いて、量子状態トモグラフィーにより空間的波動関数分布を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 捕獲イオン量子シミュレータは、分子系における円錐的交差に起因する幾何位相を再現できるか？
• RQ2 制御された量子系において、非アーベル的幾何位相はどの程度の精度で準備され、測定可能か？
• RQ3 断熱的遷移とスピン・モードのエンタングルメントは、分子ダイナミクスにおける非自明なトポロジカル位相をシミュレートする上で果たす役割は何か？
• RQ4 実験的不具合やデコherenceは、このようなシミュレーションにおける幾何位相の観測にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 状態依存の変位とスピン測定を用いて、幾何位相に起因する干渉縞を実験的に解像できるか？

主な発見

• 運動モード波動関数の分布に干渉が観測され、円錐的交差の周囲を断熱的遷移させた後、非自明な幾何位相が存在することが確認された。
• 断熱条件が非常に高い忠実度で満たされており、断熱基準における動的位相因子が最初の8つの励起状態において0.5未満に保たれた。
• 測定された空間的波動関数には、ベリー理論が予測するように幾何位相πに一致する明確な干渉縞が観測された。
• 短い発展ステップとオシレーター項の時間的デジタル化により、トレッター化誤差を最小限に抑え、古典的シミュレーションで誤差が無視できる程度であることが確認された。
• 補助イオンの使用により、波動関数の高精度な2次元フーリエ変換測定が可能となり、波動関数の空間的分布が波長未満の分解能で再構成された。
• 短い実験時間（330 μs）と対称性保護のため、デコherenceに対して強い耐性を示し、断熱的遷移中を通じてコherencyが維持された。