論文の概要: Quantum Simulation of Charge and Exciton Transfer in Multi-mode Models using Engineered Reservoirs

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.22729v2
• Date: Mon, 07 Jul 2025 15:44:41 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-08 17:51:39.899837
• Title: Quantum Simulation of Charge and Exciton Transfer in Multi-mode Models using Engineered Reservoirs
• Title（参考訳）: 技術者貯留層を用いた多モードモデルにおける電荷移動とエキシトン移動の量子シミュレーション
• Authors: Visal So, Midhuna Duraisamy Suganthi, Mingjian Zhu, Abhishek Menon, George Tomaras, Roman Zhuravel, Han Pu, Peter G. Wolynes, José N. Onuchic, Guido Pagano,
• Abstract要約: 量子シミュレーションは、非摂動状態における開系分子動力学を研究するための経路を提供する。 多モード線形ビブロニックカップリングモデルにおいて、電荷とエキシトン移動のオープンシステム量子シミュレーションを実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.1225296057594336
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Quantum simulation offers a route to study open-system molecular dynamics in non-perturbative regimes by programming the interactions among electronic, vibrational, and environmental degrees of freedom on similar energy scales. Trapped-ion systems possess this capability, with their native spins, phonons, and tunable dissipation integrated within a single platform. Here, we demonstrate an open-system quantum simulation of charge and exciton transfer in a multi-mode linear vibronic coupling model. Employing tailored spin-phonon interactions alongside reservoir engineering techniques, we emulate a system with two dissipative vibrational modes coupled to donor and acceptor electronic sites and follow its non-equilibrium dynamics. We continuously tune the system from the charge transfer (CT) regime to the vibrationally assisted exciton transfer (VAET) regime by controlling the vibronic coupling strengths. We find that degenerate modes enhance CT and VAET rates at large energy gaps, while non-degenerate modes activate slow-mode pathways that reduce the energy-gap dependence, thus enlarging the window for efficient transfer. These results show that the presence of one additional vibration introduces interfering vibrationally assisted pathways and reshapes non-perturbative quantum excitation transfer. Our work establishes a scalable and hardware-efficient route to simulating chemically relevant, many-mode vibronic processes with engineered environments, guiding the design of next-generation organic photovoltaics and molecular electronics.
• Abstract（参考訳）: 量子シミュレーションは、同様のエネルギースケールで電子、振動、環境自由度の間の相互作用をプログラミングすることで、非摂動状態における開系分子動力学を研究するための経路を提供する。 トラップイオンシステムは、ネイティブスピン、フォノン、調整可能な散逸を単一のプラットフォームに統合して、この能力を有する。 ここでは、多モード線形ビブロニックカップリングモデルにおいて、電荷とエキシトン移動のオープンシステム量子シミュレーションを実演する。 貯水池工学技術と並行してスピンフォノン相互作用を調整し、ドナーとアクセプターの電子サイトと結合した2つの散発振動モードを持つ系をエミュレートし、非平衡ダイナミクスに従う。 我々は、振動結合強度を制御し、電荷伝達(CT)系から振動アシスト励起子伝達(VAET)系に連続的に調整する。 縮退モードは大きなエネルギーギャップにおいてCTとVAETの速度を高める一方、非縮退モードは低速モード経路を活性化し、エネルギーギャップ依存性を低減し、効率的な転送のための窓を大きくする。 これらの結果から,1つの追加振動の存在は振動支援経路を干渉させ,非摂動的量子励起伝達を再び起こすことが示唆された。 我々の研究は、化学関連で多モードのビブロニックプロセスとエンジニアリング環境をシミュレートするスケーラブルでハードウェア効率のよい経路を確立し、次世代の有機太陽光発電と分子エレクトロニクスの設計を導く。

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