Исторический эксперимент: Ученые доказали существование квантовых «гибридов» — исключительных точек Дирака

Физики из Научно-технического университета Китая впервые в истории экспериментально наблюдали исключительную точку Дирака — гибридный квантовый объект, который до сих пор существовал лишь в теоретических моделях. Открытие, сделанное на базе азотно-вакансионных центров в алмазе, бросает вызов устоявшимся представлениям о поведении открытых квантовых систем и обещает прорыв в создании стабильных кубитов и сверхчувствительных сенсоров.

В отличие от «обычных» исключительных точек, где энергетические уровни системы сливаются, приобретая комплексные значения, новая точка Дирака сохраняет их действительными. Это кардинально меняет правила игры, позволяя обойти главную проблему неэрмитовых систем — их нестабильность при попытке плавного управления.

Гибридная аномалия: Как скрестили два мира

Квантовые системы делятся на два типа: эрмитовы (замкнутые, сохраняющие энергию) и неэрмитовы (открытые, взаимодействующие с окружением). До сих пор их ключевые особенности — точки Дирака и исключительные точки — считались несовместимыми. Первые возникают в «идеальных» материалах вроде графена, вторые — в системах с потерями или усилением.

Команда под руководством Син Жуна доказала, что эти феномены могут сосуществовать. Используя трехуровневую неэрмитову систему, созданную на базе NV-центра в алмазе, исследователи «сконструировали» гамильтониан, в котором две концепции слились воедино. Ключевым доказательством успеха стало то, что в окрестностях новой точки энергетические уровни оставались действительными числами — уникальное свойство, нехарактерное для обычных исключительных точек.

Алмазный квантовый процессор: Как устроен эксперимент

В качестве лаборатории выступил азотно-вакансионный центр — дефект в кристаллической решетке алмаза, где один атом углерода заменен азотом, а соседний — отсутствует. Этот дефект ведет себя как стабильная квантовая система, управляемая лазерами и микроволнами.

Исследователи применили ранее разработанный «метод дилатации», чтобы заставить NV-центр имитировать поведение специфической неэрмитовой системы. Они буквально запрограммировали математическую модель энергии так, чтобы в ней появилась исключительная точка Дирака. Совпадение теоретических предсказаний с экспериментальными данными подтвердило: новый тип точки действительно существует и подчиняется предсказанным законам.

Плавное управление в бурном море: Главное преимущество открытия

Основная проблема неэрмитовых систем — сложность адиабатического (плавного) управления. Из-за комплексных энергий и резких исключительных точек система легко «срывается» с нужной траектории, теряя квантовую когерентность.

Исключительная точка Дирака решает эту проблему. Ее «эрмитово-подобная» природа (действительные энергии рядом) создает «тихую заводь» в бурном потоке. Это позволяет аккуратно проводить систему через окрестности точки, не боясь диссипации и нежелательных переходов. Для квантовых инженеров это означает появление нового, потенциально более надежного инструмента для манипуляции кубитами.

Открытие состоялось не на пустом месте. Теоретическое предсказание существования исключительных точек Дирака появилось задолго до эксперимента. Однако до работы китайской группы никому не удавалось создать условия, в которых этот гибридный объект можно было бы наблюдать и контролировать. Предыдущие попытки ограничивались изучением «классических» исключительных точек в оптических и микроволновых системах.

Практическое значение открытия выходит далеко за рамки фундаментальной физики. Новый тип точки открывает три ключевых направления. Во-первых, это повышение стабильности кубитов в квантовых компьютерах за счет более точного адиабатического управления. Во-вторых, возможность изучения геометрических фаз (фазы Берри) в неэрмитовых системах, что ранее было крайне затруднено. В-третьих, это потенциальный путь к обнаружению новых топологических фаз материи — состояний, свойства которых не меняются при плавных деформациях.