論文の概要: Spectroscopy and Coherent Control of Two-Level System Defect Ensembles Using a Broadband 3D Waveguide

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.05934v1
• Date: Fri, 05 Dec 2025 18:21:15 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-13 22:40:57.134313
• Title: Spectroscopy and Coherent Control of Two-Level System Defect Ensembles Using a Broadband 3D Waveguide
• Title（参考訳）: 広帯域3次元導波路を用いた二層系欠陥アンサンブルの分光とコヒーレント制御
• Authors: Qianxu Wang, Juan S. Salcedo-Gallo, Salil Bedkihal, Tian Xia, Maciej W. Olszewski, Valla Fatemi, Mattias Fitzpatrick,
• Abstract要約: 2レベルシステム(TLS)欠陥は超伝導量子デバイスにおけるデコヒーレンスとエネルギー損失の主な原因である。 我々は以前に開発したブロードバンド極低温過渡誘電体分光法に基づいて構築した。 広帯域3-5GHz帯におけるTLS欠陥アンサンブルのコヒーレント制御と時間分解ダイナミクスについて検討した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.2558022660208814
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Defects in solid-state materials play a central role in determining coherence, stability, and performance in quantum technologies. Although narrowband techniques can probe specific resonances with high precision, a broadband spectroscopic approach captures the full spectrum of defect properties and dynamics. Two-level system (TLS) defects in amorphous dielectrics are a particularly important example because they are major sources of decoherence and energy loss in superconducting quantum devices. However, accessing and characterizing their collective dynamics remains far more challenging than probing individual TLS defects. Building on our previously developed Broadband Cryogenic Transient Dielectric Spectroscopy (BCTDS) technique, we study the coherent control and time-resolved dynamics of TLS defect ensembles over a wide frequency range of 3-5 GHz without requiring full device fabrication, revealing quantum interference effects, memory-dependent dynamics, and dressed-state evolution within the TLS defect bath. The spectral response reveals distinct V-shaped structures corresponding to the bare eigenmode frequencies. Using these features, we extract a TLS defect spectral density of 84 GHz^-1 for a silicon sample, across a 4.1-4.6 GHz span. Furthermore, we systematically investigate amplitude- and phase-controlled interference fringes for multiple temperatures and inter-pulse delays, providing direct evidence of coherent dynamics and control. A driven minimal spin model with dipole-dipole interactions that qualitatively capture the observed behavior is presented. Our results establish BCTDS as a versatile platform for broadband defect spectroscopy, offering new capabilities for diagnosing and mitigating sources of decoherence, engineering many-body dynamics, and exploring non-equilibrium phenomena in disordered quantum systems.
• Abstract（参考訳）: 固体材料の欠陥は、量子技術のコヒーレンス、安定性、性能を決定する上で中心的な役割を果たす。 狭帯域技術は特定の共鳴を高精度で探査することができるが、ブロードバンド分光法は欠陥特性と力学の完全なスペクトルを捉えている。 非晶質誘電体における2レベル系(TLS)欠陥は、超伝導量子デバイスにおけるデコヒーレンスとエネルギー損失の主な原因であるため、特に重要な例である。 しかしながら、それらの集団力学にアクセスし、特徴付けることは、個々のTLS欠陥を調べることよりも、はるかに困難である。 これまで開発したBroadband Cryogenic Transient Dielectric Spectroscopy (BCTDS) 法に基づいて, TLS欠陥アンサンブルのコヒーレント制御と時間分解ダイナミクスを, 完全なデバイス製造を必要とせず, 量子量子効果, メモリ依存ダイナミクス, TLS欠陥浴内における着衣状態の進化を解明する。 スペクトル応答は、裸の固有モード周波数に対応する異なるV字型構造を示す。 これらの特徴を用いて, シリコン試料のTLS欠陥スペクトル密度84 GHz^-1を4.1-4.6GHzの範囲で抽出する。 さらに,複数の温度およびパルス間遅延に対する振幅および位相制御干渉縞を系統的に検討し,コヒーレントダイナミクスと制御の直接的な証拠を提供する。 観測された振る舞いを質的に捉えた双極子-双極子相互作用を持つ最小スピンモデルを示す。 我々は,BCTDSをブロードバンド欠陥分光のための汎用プラットフォームとして確立し,デコヒーレンス源の診断・緩和,多体ダイナミクスの工学,不規則量子系における非平衡現象の探索などを行う。

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