論文の概要: Emergence of highly coherent quantum subsystems of a noisy and dense spin system

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2210.01024v2
• Date: Wed, 17 Jan 2024 16:18:46 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-01-18 22:13:36.677418
• Title: Emergence of highly coherent quantum subsystems of a noisy and dense spin system
• Title（参考訳）: ノイズおよび高密度スピン系の高コヒーレント量子サブシステムの創発
• Authors: A.Beckert, M.Grimm, N.Wili, R.Tschaggelar, G.Jeschke, G.Matmon, S.Gerber, M.M\"uller, G.Aeppli
• Abstract要約: 量子センサと量子ビットは通常2レベルシステム(TLS)であり、古典ビットの量子アナログでバイナリ値 '0' や '1' を仮定する。 我々は, 高密度TLSネットワークをうるさい核スピン浴で利用するために, ホッピングから揺らぎ支配への相互作用を生かすことができることを示した。 我々の研究は、量子センサーと量子ビットの探索スペースを拡大し、密度の高い乱れた材料にクラスターを組み込む。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Quantum sensors and qubits are usually two-level systems (TLS), the quantum analogs of classical bits which assume binary values '0' or '1'. They are useful to the extent to which they can persist in quantum superpositions of '0' and '1' in real environments. However, such TLS are never alone in real materials and devices, and couplings to other degrees of freedom limit the lifetimes - called decoherence times - of the superposition states. Decoherence occurs via two major routes - excitation hopping and fluctuating electromagnetic fields. Common mitigation strategies are based on material improvements, exploitation of clock states which couple only to second rather than first order to external perturbations, and reduction of interactions via extreme dilution of pure materials made from isotopes selected to minimize noise from nuclear spins. We demonstrate that for a dense TLS network in a noisy nuclear spin bath, we can take advantage of interactions to pass from hopping to fluctuation dominance, increasing decoherence times by almost three orders of magnitude. In the dilute rare-earth insulator LiY1-xTbxF4, Tb ions realize TLS characterized by a 30GHz splitting and readily implemented clock states. Dipolar interactions lead to coherent, localized pairs of Tb ions, that decohere due to fluctuating quantum mechanical ring-exchange interaction, sensing the slow dynamics of the surrounding, nearly localized Tb spins. The hopping and fluctuation regimes are sharply distinguished by their Rabi oscillations and the invisible vs. strong effect of classic 'error correcting' microwave pulse sequences. Laying open the decoherence mechanisms at play in a dense, disordered and noisy network of interacting TLS, our work expands the search space for quantum sensors and qubits to include clusters in dense, disordered materials, that can be explored for localization effects.
• Abstract（参考訳）: 量子センサと量子ビットは通常2レベルシステム(TLS)であり、古典ビットの量子アナログはバイナリ値 '0' または '1' を仮定する。 それらは実環境における'0' と '1' の量子重ね合わせに持続できる程度に有用である。 しかし、そのようなTLSは実際の材料や装置では決して存在せず、他の自由度への結合は重畳状態の寿命(デコヒーレンス時間と呼ばれる)を制限する。 デコヒーレンスは、励起ホッピングと変動する電磁場という2つの主要な経路によって起こる。 一般的な緩和戦略は、材料改良、外部摂動に対する第1次ではなく第2次へと結合するクロック状態の活用、核スピンからのノイズを最小限に抑えるために選択された同位体から得られる極端に希釈された純粋な物質による相互作用の低減に基づく。 我々は,高密度TLSネットワークにおいて,ホッピングから揺らぎ支配への相互作用を活用でき,デコヒーレンス時間を約3桁増加させることができることを示した。 希薄な希土類絶縁体LiY1-xTbxF4において、Tbイオンは30GHzの分割と容易に実装されたクロック状態によって特徴付けられるTLSを実現する。 双極子相互作用はコヒーレントで局所化されたtbイオン対につながり、量子力学的なリング交換相互作用が変動し、周囲でほぼ局所化されたtbスピンの遅いダイナミクスを感知する。 ホッピングとゆらぎの規則は、Rabiの発振と、古典的な「エラー修正」マイクロ波パルスシーケンスの強い影響によって著しく区別される。 相互作用するtlsの密集した無秩序で騒がしいネットワークの中で、デコヒーレンス機構を再生しながら、量子センサーや量子ビットの探索空間を広げて、密度の高い無秩序な物質のクラスターを含むようにし、ローカライズ効果を探求する。

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