划分镝的电子自旋以揭示非经典态中的纠缠

介观尺度的量子自旋是构造非经典态的被广泛研究的平台。若自旋表示一组量子比特的集体态，其非经典行为便与量子比特间的纠缠相关联。本工作中，我们报道关于镝的电子自旋中纠缠的实验研究。其基态角动量 $J=8$，在形式上可视为 $2J$ 个交换对称的量子比特的集合。为获取纠缠性质，我们通过光耦合将其与激发态 $J'=J-1$ 耦合来划分该自旋，从而以由光偏振定义的状态移除一对量子比特。从众所周知的 W 态和压缩态出发，我们提取量子比特对的并发度，其量化了它们的非经典特征。我们还通过划分后熵的增加直接证明了 14-量子比特与 2-量子比特子系统之间的纠缠。在一组互补实验中，我们探测了制备于激发能级 $J'=J+1$ 的态的退相干，并将自发辐射解释为处于随机态的一对量子比特的丢失。这使我们能够对比 W 态的两两纠缠的稳健性与 Schrödinger 猫态中相干性的脆弱性。我们的发现开启了构造新型纠缠原子系综的可能性，其中纠缠既发生在每个原子的电子自旋内部，也发生在不同原子之间。