通过超辐射微波激射实现具有超长相干时间的自旋系综宏观量子叠加

激光、Bose-Einstein 凝聚体、超流体和超导体等宏观量子现象在量子力学的基础和应用中至关重要。特别是，固体中大量自旋的量子叠加对于量子信息处理和超高灵敏度磁力计而言是非常理想的。然而，固体中的自旋系综通常具有较短的集体相干时间（通常小于微秒量级）。在此，我们证明在现实条件下，可以在易于实现的条件下维持大型自旋系综（例如金刚石中约 ~10^{14} 个氮 - 空位中心电子自旋）的宏观量子叠加，其相干时间极长，约为 ~10^8 秒。该方案遵循超辐射激光的机制，基于集体自旋激发（magnons）与微波腔光子之间的相干耦合所产生的超辐射微波激射（superradiant masing）。宏观量子叠加的相干时间是 magnon 寿命与腔寿命之和，并因发生微波激射时具有宏观数值的相干 magnon 和光子总数而进一步延长。自旋系综的宏观量子相干性可用于灵敏度约为 ~10 fT/(Hz)^{1/2} 的磁力计。固体中自旋系综的长寿命集体态将为研究宏观量子现象提供新平台，并对量子技术有用。