[논문 리뷰] Simulating conical intersections with trapped ions

Jacob Whitlow, Zhubing Jia외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 14.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 트랩된 이온을 사용한 양자 시뮬레이터를 통해 분자의 기하 위상이 유도하는 첫 번째 실험적 관측을 보여준다. 이온 큐비트에 전자 상태를, 진동 모드에 원자핵 좌표를 인코딩함으로써 저자들은 상태에 의존하는 레이저 힘을 통해 이중 차원의 원뿔 교차점 잠재력을 시뮬레이션하고 간섭 무늬를 측정하여 아벨이 아닌 기하 위상을 확인함으로써 분자의 양자역학적 동역학에서 핵심 예측을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제어 가능한 양자 플랫폼을 사용하여 분자의 광화학에서 중요한 역할을 하는 원뿔 교차점을 시뮬레이션하기.
• 원뿔 교차점 근처에서 베리 위상 이론이 예측한 기하 위상을 실험적으로 관측하기.
• 스핀-운동 에르고닉의 존재를 고려한 비어드아바틱 양자역학적 동역학을 시뮬레이션하는 데서 트랩된 이온의 유용성을 보여주기.
• 실제 분자에서는 관측이 어려운 체계에서 기하 위상 간섭의 이론적 예측을 검증하기.

제안 방법

• 전자 상태를 나타내기 위해 단일 트랩된 40Ca+ 이온을 큐비트로 사용하고, 그 운동 모드를 원자핵 좌표로 인코딩한다.
• 스핀-보존 해밀토니안을 통해 상태에 의존하는 레이저 힘을 적용하여 이중 차원 원뿔 교차점 잠재력의 시뮬레이션을 수행한다.
• 시간에 따라 변화하는 라비 주파수를 사용하여 기저 상태 파동함수를 원뿔 교차점 주변에 준비하기 위해 아디아바틱 진화를 구현한다.
• 두 번째 보조 이온을 사용하여 상태에 의존하는 이동을 통해 운동 파동함수의 2차원 푸리에 변환 측정을 수행한다.
• 순차적인 레이저 펄스를 통해 해밀토니안의 트로터화된 진화를 구현하여 전체 스피너-보존 모델 하에서의 시간 진화를 시뮬레이션한다.
• 교정된 이동 연산과 스핀 측정을 통해 양자 상태 단층 측정을 수행하여 공간적 파동함수 분포를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랩된 이온 양자 시뮬레이터는 분자의 시스템에서 원뿔 교차점과 관련된 기하 위상을 재현할 수 있는가?
• RQ2 제어 가능한 양자 시스템에서 아벨이 아닌 기하 위상은 얼마나 정확하게 준비되고 측정될 수 있는가?
• RQ3 아디아바틱 진화와 스핀-운동 얽힘은 분자의 동역학에서 비틀림이 있는 위상 구조를 시뮬레이션하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 실험적 오차와 디코herence는 이러한 시뮬레이션에서 기하 위상의 관측에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 상태에 의존하는 이동과 스핀 측정을 통해 기하 위상에서 유래한 간섭 무늬를 실험적으로 해상도를 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 원뿔 교차점 주변에서 아디아바틱 진화 후 비자명한 기하 위상의 존재를 확인하는 운동 파동함수 분포의 간섭을 성공적으로 관측하였다.
• 아디아바틱 조건이 높은 정밀도로 충족되었으며, 아디아바틱 기준에서의 동적 위상 인자가 첫 8개의 옹진 상태에서 0.5 이하로 유지되었다.
• 측정된 공간적 파동함수는 베리 이론이 예측한 바와 같이 기하 위상 π와 일치하는 명확한 간섭 무늬를 보였다.
• 짧은 진화 단계와 옹진 항목의 시간 디지털화를 통해 트로터화 오차를 최소화하였으며, 고전적 시뮬레이션을 통해 오차가 무시할 만큼 작다는 것이 확인되었다.
• 보조 이온의 사용으로 파동함수의 고정밀도 2차원 푸리에 변환 측정이 가능해져, 파동함수의 공간 분포를 파장 이하의 해상도로 재구성할 수 있었다.
• 단기 실험 시간(330 μs)과 대칭 보호 덕분에 시스템은 디코herence에 대해 강건했으며, 아디아바틱 진화 전반에 걸쳐 공명을 유지하였다.