锥形交叉点动力学中几何相位干涉的直接观测

Wed, 01 Jul 2026 00:00:00 +0000

Direct observation of geometric-phase interference in dynamics around a conical intersection#

锥形交叉点动力学中几何相位干涉的直接观测#

C. H. Valahu, V. C. Olaya-Agudelo, R. J. MacDonell 等

悉尼大学 · ARC 量子系统工程卓越中心 · UCSD · ETH Zurich

Nature Chemistry 15, 1503–1508 (2023) | 🔴 实验

摘要#

锥形交叉点（conical intersections）在化学和物理中广泛存在，控制着光收集、视觉、光催化和化学反应性等过程。当反应路径环绕锥形交叉点时，分子波函数会受到几何相位的影响，通过量子力学干涉改变反应结果。以往实验只在散射模式和光谱可观测量中检测到几何相位的间接信号，从未直接观测到底层的波包干涉。本文在可编程离子阱量子模拟器中，首次直接观测到了一个工程化锥形交叉点周围波包动力学中的几何相位干涉。实验开发了一种重建囚禁离子二维波包密度的技术，结果与理论模型一致，证明了类比量子模拟器精确描述核量子效应的能力。

实验方案#

离子阱量子模拟器#

实验使用 $^{171}\mathrm{Yb}^+$ 离子阱量子模拟器，通过映射关系将化学系统的锥形交叉点动力学编码到离子的内部和运动自由度中：

离子的两个内部电子态模拟分子的两个电子态
离子的两个简谐振动模式模拟分子的两个核振动模式
激光驱动的耦合模拟非绝热耦合

几何相位干涉#

当波包沿环绕锥形交叉点的闭合路径演化时，几何相位导致波函数获得一个 $\pi$ 相移。两条路径（顺时针 vs 逆时针）的干涉产生破坏性干涉——这是几何相位的直接指纹。

实验示意：离子阱中的工程化锥形交叉点，波包绕锥形交叉点演化的两条路径。

离子阱运动振子量子态的特征函数直接层析

Tue, 30 Jun 2026 00:00:00 +0000

Direct Characteristic-Function Tomography of Quantum States of the Trapped-Ion Motional Oscillator#

离子阱运动振子量子态的特征函数直接层析#

C. Flühmann, J. P. Home

Institute for Quantum Electronics, ETH Zürich · Otto-Stern-Weg 1, 8093 Zürich, Switzerland

Physical Review Letters 125, 043602 (2020)

摘要#

我们实现了囚禁钙离子轴向运动模式量子态的对称特征函数（symmetric characteristic function）的直接读出。通过恰当选择的内态旋转配合基于双色激光场的内态依赖位移，将位移算符的实部或虚部期望值映射到内态上，再通过荧光读出。综合这些测量即可获得对称特征函数的完整信息。我们用一系列典型的量子振子态对该技术进行了表征，包括位移和压缩的高斯态，以及位移压缩态的二分量和三分量叠加态。对每个态，我们讨论了特征函数和 Wigner 相空间准概率分布的相关特征。使用少量测量数据直接重建这些高度非经典的振子态，对于理解和优化量子传感及量子信息中的振子系统控制至关重要。

背景与动机#

量子态重建（quantum state reconstruction）是量子控制诊断和改进的核心环节。随着实验中可控制的态越来越大，重建所需的测量次数成为一个关键问题[1]。玻色系统（机械谐振子、电磁场模式）在量子信息[3,4]、量子传感[5–8]和基础研究[9,10]中扮演着重要角色。它们已被制备成各种量子态——Fock 态、压缩态、位移态[11]及其叠加态[12,13]，其中最具代表性的是两个位移相干态的"薛定谔猫"叠加态[14]。

先前方法的局限：

零差层析（homodyne tomography）[18]：需要大量测量，再通过逆 Radon 变换重建 Wigner 函数
Fock 态布居数提取[6,19–23]：收集大量多余数据（如很多 Fock 态布居数），再压缩为单个宇称值
强色散相互作用下的宇称测量[21]：在某些平台上难以实现[24,25]，且常限制大场态的质量和寿命[26–28]
基态布居数测量：可提取 Q 函数，但不适用于猫态分析（量子干涉效应随位移波包间距指数衰减）[29]

本文的核心思路：直接测量对称特征函数 $\chi(\beta) = \langle \hat{\mathcal{D}}(\beta) \rangle$，一步到位，无需后处理。

核心创新

利用内态依赖位移 + 载波旋转，将 $\hat{\mathcal{D}}(\beta)$ 的实部和虚部直接映射到离子内态的 $\langle \hat{Z} \rangle$ 上读出。相对以往的 Wigner 函数重建方法，数据采集时间减少 20 倍以上。

方法：特征函数直接读出#

对称特征函数#

对称特征函数定义为：

离子阱 on Yuunagi Library

锥形交叉点动力学中几何相位干涉的直接观测

Direct observation of geometric-phase interference in dynamics around a conical intersection#