噪声稠密自旋系统中高度相干量子子系统的涌现

量子传感器与量子比特通常是二能级系统（TLS），即假定取二进制值“0”或“1”的经典比特的量子类比。其实用性取决于它们能在真实环境中持续保持“0”与“1”的量子叠加态的程度。然而，此类TLS在真实材料与器件中从不孤立，且与其他自由度的耦合限制了叠加态的寿命——称为退相干时间。退相干通过两条主要途径发生——激发跳跃与涨落电磁场。常见的缓解策略基于材料改进、利用仅以二阶而非一阶耦合外部扰动的时钟态，以及通过极端稀释由选定以最小化核自旋噪声的同位素制成的纯材料来降低相互作用。我们证明，对于噪声核自旋浴中的稠密TLS网络，我们可以利用相互作用从跳跃主导过渡到涨落主导，将退相干时间提高近三个数量级。在稀有的稀土绝缘体LiY1-xTbxF4中，Tb离子实现了以30GHz分裂为特征且易于实现时钟态的TLS。偶极相互作用导致相干的、局域化的Tb离子对，其由于涨落的量子力学环交换相互作用而退相干，感知周围近局域化Tb自旋的缓慢动力学。跳跃与涨落 regime 由各自的Rabi振荡以及经典“纠错”微波脉冲序列的不可见与强效应鲜明区分。我们的工作揭示了相互作用TLS的稠密、无序且噪声网络中的退相干机制，将量子传感器与量子比特的搜索空间扩展至包含稠密无序材料中的团簇，可借此探索局域化效应。