[论文解读] 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 9

一句话总结

该论文首次通过离子阱量子模拟器实验观测到由锥形交叉引起的几何相位。通过将电子态编码为离子量子比特，核坐标编码为振动模式，作者利用状态依赖激光力模拟锥形交叉，并通过测量干涉条纹证实了非阿贝尔几何相位，验证了分子量子动力学中的关键理论预测。

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.

研究动机与目标

• 利用可调控的量子平台模拟分子光化学中至关重要的锥形交叉。
• 在锥形交叉附近实验观测贝里相位理论预测的几何相位。
• 展示离子阱在模拟具有自旋-运动纠缠的非绝热量子动力学方面的实用性。
• 验证在真实分子中通常不可观测的几何相位干涉效应的理论预测。

提出的方法

• 使用单个俘获的⁴⁰Ca⁺离子作为量子比特以表示电子态，其运动模式编码核坐标。
• 通过自旋-玻色子哈密顿量，利用状态依赖激光力模拟二维锥形交叉势能。
• 通过时变拉比频率实现绝热演化，以在锥形交叉周围制备基态波函数。
• 利用第二个辅助离子，通过状态依赖位移实现对运动波函数的二维傅里叶变换测量。
• 通过顺序激光脉冲实现哈密顿量的Trotter化演化，以模拟完整自旋-玻色模型下的时间演化。
• 通过校准的位移操作和自旋测量，利用量子态层析技术测量空间波函数分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 俘获离子量子模拟器能否再现分子系统中与锥形交叉相关的几何相位？
• RQ2 在可控量子系统中，非阿贝尔几何相位的制备与测量精度如何？
• RQ3 绝热演化与自旋-运动纠缠在模拟分子动力学中非平凡拓扑相位的过程中起什么作用？
• RQ4 实验中的非理想因素与退相干在多大程度上影响此类模拟中几何相位的观测？
• RQ5 能否通过状态依赖位移和自旋测量实验分辨出由几何相位引起的干涉条纹？

主要发现

• 实验成功观测到运动波函数分布中的干涉，证实了在锥形交叉周围绝热演化后存在非平凡几何相位。
• 绝热条件以高保真度满足，绝热判据中的动态相位因子在前8个激发态中均保持在0.5以下。
• 测得的空间波函数表现出清晰的干涉条纹，与贝里理论预测的π几何相位一致。
• 通过使用短演化步长和振子项的时间离散化，Trotter化误差被最小化，经典模拟确认误差可忽略不计。
• 利用辅助离子实现了高保真度的二维傅里叶变换波函数测量，实现了亚波长分辨率的空间分布重建。
• 由于实验时间短（330 μs）和对称性保护，系统对退相干表现出鲁棒性，在整个绝热演化过程中保持了相干性。